近日，德國(guó)國(guó)際團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出迄今為止最小的生物超級(jí)電容器，這種生物相容性儲(chǔ)能系統(tǒng)為下一代生物醫(yī)學(xué)的血管內(nèi)植入物和微型機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)辟了可能性。
微電子傳感器、微電子機(jī)器人或血管內(nèi)植入物的小型化正在迅速推進(jìn)。但此前已有的亞毫米范圍內(nèi)的能量存儲(chǔ)設(shè)備，即所謂的“微型超級(jí)電容器”，由于腐蝕性的電解質(zhì)存在泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，不適合人體內(nèi)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)微型、高效，并且具有生物相容性的能量存儲(chǔ)設(shè)備，用來(lái)驅(qū)動(dòng)微型系統(tǒng)在人體內(nèi)可靠運(yùn)行，成為該研究領(lǐng)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(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)首個(gè)滿足上述特性的生物超級(jí)電容器。該能量存儲(chǔ)設(shè)備體積僅為0.001立方毫米，為此前最小能源存儲(chǔ)設(shè)備的1/3000。但它仍然能夠?yàn)檠褐械奈㈦娮觽鞲衅魈峁└哌_(dá)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(xué)研究，并且可以通過(guò)生物電化學(xué)反應(yīng)補(bǔ)償自放電行為。
該研究及樣品制備主要在開(kāi)姆尼茨工業(yè)大學(xué)納米膜材料、結(jié)構(gòu)和集成中心進(jìn)行。德累斯頓萊布尼茨聚合物研究所也參與了這項(xiàng)研究?？茖W(xué)家們利用折紙技術(shù)，將生物超級(jí)電容器組件所需的材料置于晶圓表面上的高機(jī)械張力下，隨后以受控方式將材料層從表面分離，通過(guò)張力能量的釋放，材料層會(huì)纏繞成緊湊的3D組件，并實(shí)現(xiàn)高精度和高成品率(95%)。
實(shí)驗(yàn)表明，生物超級(jí)電容器在血液中顯示出優(yōu)異的使用壽命，16小時(shí)后仍能保持初始容量的70%。它還可以從人體自身的反應(yīng)中受益，天然存在于血液中的氧化還原酶和活細(xì)胞能將組件的性能提高40%。此外，科學(xué)家們還利用微流體通道模擬各種尺寸的血管，測(cè)試了生物超級(jí)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(guān)條件下良好且穩(wěn)定地工作。
為了驗(yàn)證生物超級(jí)電容器的實(shí)際工作性能，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)完全集成的超緊湊型能量存儲(chǔ)和傳感器系統(tǒng)，實(shí)時(shí)記錄血液中的pH值以幫助預(yù)測(cè)早期腫瘤?？茖W(xué)家們將pH敏感的生物超級(jí)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(guò)“瑞士卷”折紙技術(shù)形成管狀3D幾何形狀，3個(gè)與傳感器串聯(lián)的生物超級(jí)電容器實(shí)現(xiàn)了特別高效和自給自足的pH測(cè)量。
施密特說(shuō)，這種儲(chǔ)能系統(tǒng)為下一代生物醫(yī)學(xué)的血管內(nèi)植入物和微型機(jī)器人系統(tǒng)在人體小空間中的運(yùn)行開(kāi)辟了可能性。
在諸如血管這樣的窄小區(qū)域內(nèi)，微型機(jī)器人系統(tǒng)或儲(chǔ)能設(shè)備的一個(gè)必要條件，就是生物兼容——只有安全可靠，才能真正走入實(shí)用。本文中的研究成果一舉實(shí)現(xiàn)了三大突破：其一，占用空間比一?；覊m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(hù)，能防止由脈動(dòng)血液或肌肉收縮引起的變形。這意味著，該技術(shù)將在醫(yī)療領(lǐng)域擁有相當(dāng)廣泛的應(yīng)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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