再見電池！未來植入式醫療設備可從人體獲取能量

導讀

為植入式醫療設備尋找替代電池的能量供給方案，一直是科學家們在積極探索的。最近，美國科學家發明了一種由生物超級電容和能量採集設備構成的系統，為植入式醫療設備供電。它是柔性、高效、且對人體無害的。

關鍵字

石墨烯、植入式設備、超級電容、醫療、能量

背景

如今，科學技術日新月異，前沿創新技術層出不窮。當然，醫療行業也不例外，在研發醫療設備方面，不斷出現各種創新技術。

一般來說，傳統的醫療器械都是昂貴、笨重、大型的。然而，最新的創新趨勢則是便攜、輕量、靈巧、方便、小型、生物相容、生態友好等。攜帶型醫療設備、可消化的醫療設備、植入式醫療設備等創新概念不斷湧現，這些新型醫療設備不僅體積越來越小，甚至還可以進入人體，實時監測人體健康狀況，以及進行給葯和疾病治療。

但是，植入式醫療設備一般需要在人體內長期工作，能量供給是最主要的問題之一。我們拿心臟起搏器來說，由於使用的是傳統電池，其電量終有耗盡的時候，所以一般大約5到10年，就需要更換一次電池。

然而，這種電池的更換，並不像消費電子設備那麼簡單。電池位於人體內，需要進行手術才能更換。對於患者來說，這又將是一次痛苦的體驗，甚至還會有感染的風險。此外，電池含有有毒物質，萬一發生泄漏，則會危及患者健康。另外，由於電池的存在，會增加心臟起搏器的尺寸，影響它的設計和性能。

所以來說，針對以上列舉的挑戰，業界也探索出了一些創新技術方案，例如：

• 《瑞士最新研究：心臟起搏器有望利用太陽能供電》中介紹的位於皮下的太陽能電池。

• 《科學家發明新型電池：由胃酸提供能量，可消化！》中介紹的由胃酸提供能量的電池。

• 《無線能量傳輸，為消化道內的電子設備長期提供能量！》中介紹的取代電池的方式，即通過無線能量傳輸的方式，為人體內的醫療電子設備供電。

（圖片來源於：麻省理工學院）

創新

然而，今天John要介紹一種最新的、取代電池的能量供給方式，它可以為心臟起搏器等植入式醫療設備供電。這個系統主要由兩部分組成：能量存儲（生物超級電容）和能量採集（採集人體熱量和運動能量的設備）。

（圖片來源於：Islam Mosa/康涅狄格大學 、Maher El-Kady/加州大學洛杉磯分校）

這項研究美國加州大學洛杉磯分校和康涅狄格大學的科研人員合作開展，加州大學洛杉磯分校的研究團隊由化學和生物學、以及材料工程和科學的特聘教授 Richard Kaner 帶領，而康涅狄格大學的研究團隊由化學和細胞生物學的教授James Rusling 帶領。研究論文於本周發表在《先進能源材料》雜誌上。

技術

剛才介紹了系統由兩部分構成，即能量存儲和能量採集的部分，下面我們從技術的角度出發，具體介紹一下這兩部分：

• 能量存儲

這是一種生物友好的能量存儲系統，稱為生物超級電容，也稱為生物電化學的超級電容。它利用了人體體液中的帶電粒子和離子，進行電能存儲。確切一點說，這個設備的電解液是人體的血液和尿液。這種生物超級電容對於人體無害，而且可以延長心臟起搏器等植入式醫療設備的壽命。

這種生物超級電容的電極，採用了一種基於蛋白質的納米異質結構的材料，由石墨烯氧化物薄片以及經化學修改的哺乳動物蛋白質分層構成。

• 能量採集

生物超級電容只能用於存儲能量，為設備供電。那麼能量從何而來呢？科學家們採用了一種能量採集設備。

正如我在昨天的文章《可穿戴設備通過人體運動供電，可行嗎？》所介紹的，三星最近的研究表明：人體運動所產生的能量足以為小型可穿戴設備供電。那麼，這種能量也可以用於小型的植入式醫療設備。然而，這項研究中採用的能量採集器，不僅利用了人體運動的能量，還採集了人體產生的熱量，將它們轉化為電能，然後由超級電容進行存儲。

價值

在簡單了解完這項創新的技術架構後，讓我們再來深入看看這項創新帶來了哪些價值。

首先，也是最關鍵的價值點，就是這種超級電容和能量採集設備構成的系統，取代了傳統植入式醫療設備中的電池，我們再也不用擔心更換電池所帶來的煩惱了。

另外，現在的心臟起搏器，以及其它的植入式設備，一般來說都需要小型化，即體積會很小，然而電池卻佔用了它們的大量空間，這樣會對設備的設計會造成許多不利影響。這種超級電容的厚度僅僅只有1微米，比人類的頭髮絲還要細，比電池佔用的空間要小很多。

還有，這種超級電容設備是柔性的，經得起彎曲和扭曲，性能可以長時間保持穩定，並且存儲的能量比同等體積的薄膜鋰電池要高。

此外，這種超級電容還不含有毒材料和電解液，所以是生物友好的，對於人體無害。

未來

說到未來，研究人員希望這種新型系統將用於開發下一代的植入式醫療設備，加速骨骼成長、促進癒合和刺激大腦。

雖然，目前這種超級電容尚未廣泛應用於植入式醫療設備，但是研究顯示它具有這種可行性。為了提高該設備的效率，以及讓它和人體環境更加相容，研究人員還將付出不懈的努力。

參考資料

【1】http://newsroom.ucla.edu/releases/battery-free-implantable-medical-device-draws-energy-directly-from-human-body?_ga=2.140738418.153699238.1494523144-79110441.1489762721

【2】Islam M. Mosa et al. Ultrathin Graphene-Protein
Supercapacitors for Miniaturized Bioelectronics, Advanced Energy Materials (2017). DOI: 10.1002/aenm.201700358

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