近日，德國國際團隊成功研發(fā)出迄今為止最小的生物超級電容器，這種生物相容性儲能系統(tǒng)為下一代生物醫(yī)學的血管內(nèi)植入物和微型機器人系統(tǒng)的應用開辟了可能性。
微電子傳感器、微電子機器人或血管內(nèi)植入物的小型化正在迅速推進。但此前已有的亞毫米范圍內(nèi)的能量存儲設備，即所謂的“微型超級電容器”，由于腐蝕性的電解質(zhì)存在泄漏的風險，不適合人體內(nèi)的生物醫(yī)學應用。因此，開發(fā)微型、高效，并且具有生物相容性的能量存儲設備，用來驅(qū)動微型系統(tǒng)在人體內(nèi)可靠運行，成為該研究領域最大的挑戰(zhàn)之一。
德累斯頓萊布尼茲固態(tài)和材料研究所施密特教授領導的國際團隊成功研發(fā)首個滿足上述特性的生物超級電容器。該能量存儲設備體積僅為0.001立方毫米，為此前最小能源存儲設備的1/3000。但它仍然能夠為血液中的微電子傳感器提供高達1.6V的電源電壓。此外，它還具有完全生物相容性，可用于人體醫(yī)學研究，并且可以通過生物電化學反應補償自放電行為。
該研究及樣品制備主要在開姆尼茨工業(yè)大學納米膜材料、結(jié)構(gòu)和集成中心進行。德累斯頓萊布尼茨聚合物研究所也參與了這項研究?？茖W家們利用折紙技術，將生物超級電容器組件所需的材料置于晶圓表面上的高機械張力下，隨后以受控方式將材料層從表面分離，通過張力能量的釋放，材料層會纏繞成緊湊的3D組件，并實現(xiàn)高精度和高成品率(95%)。
實驗表明，生物超級電容器在血液中顯示出優(yōu)異的使用壽命，16小時后仍能保持初始容量的70%。它還可以從人體自身的反應中受益，天然存在于血液中的氧化還原酶和活細胞能將組件的性能提高40%。此外，科學家們還利用微流體通道模擬各種尺寸的血管，測試了生物超級電容器在各種流量和壓力條件下的行為，結(jié)果表明其可以在生理相關條件下良好且穩(wěn)定地工作。
為了驗證生物超級電容器的實際工作性能，研究團隊創(chuàng)建了一個完全集成的超緊湊型能量存儲和傳感器系統(tǒng)，實時記錄血液中的pH值以幫助預測早期腫瘤。科學家們將pH敏感的生物超級電容器集成到環(huán)形振蕩器中，以便根據(jù)電解質(zhì)的pH值改變輸出頻率。通過“瑞士卷”折紙技術形成管狀3D幾何形狀，3個與傳感器串聯(lián)的生物超級電容器實現(xiàn)了特別高效和自給自足的pH測量。
施密特說，這種儲能系統(tǒng)為下一代生物醫(yī)學的血管內(nèi)植入物和微型機器人系統(tǒng)在人體小空間中的運行開辟了可能性。
在諸如血管這樣的窄小區(qū)域內(nèi)，微型機器人系統(tǒng)或儲能設備的一個必要條件，就是生物兼容——只有安全可靠，才能真正走入實用。本文中的研究成果一舉實現(xiàn)了三大突破：其一，占用空間比一粒灰塵還要小;其二，功率水平堪比AAA電池;其三，足夠的生物兼容性和有效的自我保護，能防止由脈動血液或肌肉收縮引起的變形。這意味著，該技術將在醫(yī)療領域擁有相當廣泛的應用前景，包括疾病診斷、藥物遞送，甚至幫助人們發(fā)現(xiàn)早期癌癥。
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