近日，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所研究員李舟與王中林研究團(tuán)隊及北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院教授樊瑜波研究團(tuán)隊在生物可降解電子器件領(lǐng)域取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表在最新一期Advanced Science上。
生物可降解電子器件的發(fā)展近年來備受關(guān)注，作為一種新型電子器件，生物可降解電子器件可在生理或環(huán)境水中實現(xiàn)全部降解或部分降解，完全不同于傳統(tǒng)電子器件持久工作的特點?？山到怆娮悠骷?yīng)用場景主要包括：植入式醫(yī)用診斷及治療，這類器件可被人體吸收避免二次手術(shù)及長期植入帶來的副反應(yīng)；軍用傳感器，這類器件使用完畢后不用回收，可實現(xiàn)器件本身的即時降解，起到信息保密作用；便攜式消費(fèi)性器件，這類器件丟棄后可自行降解，避免了廢棄物帶來的回收成本及健康風(fēng)險。在生物可降解電子器件中，可降解能源供給器件是維持可降解電子器件正常工作的必要組成部分，但迄今為止對可降解植入電子醫(yī)療器件的能源供給研究十分有限。相比無線傳感供能及商用電池供能，可降解植入式能源器件需同時滿足小型化、良好生物相容性以及生物可吸收性的要求，以此達(dá)到臨床微創(chuàng)手術(shù)長期植入無需取出的目的。
2012年王中林提出了基于摩擦起電及靜電感應(yīng)耦合的摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG），此器件可將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能并儲存于商用不可降解電容器中供下一步使用。李舟課題組長期從事可植入器件在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究：2016年李舟課題組助理研究員鄭強(qiáng)首次開發(fā)出一種基于人工高分子的生物全可降解摩擦納米發(fā)電機(jī) （BD-TENG），該工作實現(xiàn)了BD-TENG在生物體內(nèi)的全可降解，并將BD-TENG成功用于調(diào)節(jié)神經(jīng)細(xì)胞的定向生長 （Sci. Adv. 2016, 2: e1501478）；2018年博士生江文、李虎和劉卓發(fā)表了基于純天然材料 （纖維素/甲殼素/絲素蛋白/米紙/蛋清） 的生物全可降解摩擦納米發(fā)電機(jī) （BN-TENG） 的研究工作，并將BN-TENG成功用于心肌細(xì)胞跳動速率的調(diào)節(jié) （Adv. Mater. 2018, 30, 1801895） 。同年，博士生李喆和副研究員封紅青利用金納米棒的光熱性能，將其復(fù)合到可降解材料中制備出了光熱可控的摩擦納米發(fā)電機(jī) （BD-iTENG），該工作實現(xiàn)了TENG降解速率的光控調(diào)制，并將其成功用于組織修復(fù)及傷口愈合 （Nano Energy 2018, 54, 390-399）。
隨著研究的不斷深入，并根據(jù)可植入醫(yī)療電子器件正常工作的供能需求，博士生李虎、趙超超和李舟一起研制出小型化可植入的生物全可吸收電容器（BC），可在空氣及液體環(huán)境中正常工作，并實現(xiàn)了BC對TENG輸出能量的有效儲存。該器件具有以下特點：1、通過水熱法在聚乳酸 （PLA） 高分子基底表面生長出一層PLA納米柱，為集流體鐵電極（Fe）提供了極強(qiáng)的附著力，使得Fe電極在液體環(huán)境中依然保持很好的導(dǎo)電性而不脫落；2、通過蒸發(fā)驅(qū)動自組裝使氧化鋅納米顆粒在Fe電極上自組裝成一層生物可降解多孔儲電層，為電荷的存儲提供了很高的表面積；3、制備的生物全可吸收微型BC（1.5cm × 1.5cm × 1mm）電壓窗口達(dá)到1.5V，充放電3000次后電容保留率為70%，在體外模擬體液環(huán)境中可正常工作30天，在SD大鼠體內(nèi)可正常工作50天。該電容器首次實現(xiàn)了液體環(huán)境中可降解儲能器件的長時間穩(wěn)定工作，為未來可降解植入式電子器件的供能提供了可行方案。同時，研究者通過體外細(xì)胞培養(yǎng)實驗及動物植入實驗證明了BC的良好生物相容性，整個器件在生物體內(nèi)達(dá)到預(yù)定工作時間后，可被實驗動物（大鼠）逐步分解吸收，不需要手術(shù)取出。
綜上所述，該工作為開發(fā)環(huán)境友好的儲能器件提供了新方法，為微型化、可降解和可植入的能源器件提供了新的解決方案，具有向未來可降解植入電子醫(yī)療器件發(fā)展的重要潛力。
該項工作得到國家萬人計劃“青年拔尖”、科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、北京市拔尖人才和北京市自然科學(xué)基金的支持。
生物可降解電子器件的發(fā)展近年來備受關(guān)注，作為一種新型電子器件，生物可降解電子器件可在生理或環(huán)境水中實現(xiàn)全部降解或部分降解，完全不同于傳統(tǒng)電子器件持久工作的特點?？山到怆娮悠骷?yīng)用場景主要包括：植入式醫(yī)用診斷及治療，這類器件可被人體吸收避免二次手術(shù)及長期植入帶來的副反應(yīng)；軍用傳感器，這類器件使用完畢后不用回收，可實現(xiàn)器件本身的即時降解，起到信息保密作用；便攜式消費(fèi)性器件，這類器件丟棄后可自行降解，避免了廢棄物帶來的回收成本及健康風(fēng)險。在生物可降解電子器件中，可降解能源供給器件是維持可降解電子器件正常工作的必要組成部分，但迄今為止對可降解植入電子醫(yī)療器件的能源供給研究十分有限。相比無線傳感供能及商用電池供能，可降解植入式能源器件需同時滿足小型化、良好生物相容性以及生物可吸收性的要求，以此達(dá)到臨床微創(chuàng)手術(shù)長期植入無需取出的目的。
2012年王中林提出了基于摩擦起電及靜電感應(yīng)耦合的摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG），此器件可將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能并儲存于商用不可降解電容器中供下一步使用。李舟課題組長期從事可植入器件在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究：2016年李舟課題組助理研究員鄭強(qiáng)首次開發(fā)出一種基于人工高分子的生物全可降解摩擦納米發(fā)電機(jī) （BD-TENG），該工作實現(xiàn)了BD-TENG在生物體內(nèi)的全可降解，并將BD-TENG成功用于調(diào)節(jié)神經(jīng)細(xì)胞的定向生長 （Sci. Adv. 2016, 2: e1501478）；2018年博士生江文、李虎和劉卓發(fā)表了基于純天然材料 （纖維素/甲殼素/絲素蛋白/米紙/蛋清） 的生物全可降解摩擦納米發(fā)電機(jī) （BN-TENG） 的研究工作，并將BN-TENG成功用于心肌細(xì)胞跳動速率的調(diào)節(jié) （Adv. Mater. 2018, 30, 1801895） 。同年，博士生李喆和副研究員封紅青利用金納米棒的光熱性能，將其復(fù)合到可降解材料中制備出了光熱可控的摩擦納米發(fā)電機(jī) （BD-iTENG），該工作實現(xiàn)了TENG降解速率的光控調(diào)制，并將其成功用于組織修復(fù)及傷口愈合 （Nano Energy 2018, 54, 390-399）。
隨著研究的不斷深入，并根據(jù)可植入醫(yī)療電子器件正常工作的供能需求，博士生李虎、趙超超和李舟一起研制出小型化可植入的生物全可吸收電容器（BC），可在空氣及液體環(huán)境中正常工作，并實現(xiàn)了BC對TENG輸出能量的有效儲存。該器件具有以下特點：1、通過水熱法在聚乳酸 （PLA） 高分子基底表面生長出一層PLA納米柱，為集流體鐵電極（Fe）提供了極強(qiáng)的附著力，使得Fe電極在液體環(huán)境中依然保持很好的導(dǎo)電性而不脫落；2、通過蒸發(fā)驅(qū)動自組裝使氧化鋅納米顆粒在Fe電極上自組裝成一層生物可降解多孔儲電層，為電荷的存儲提供了很高的表面積；3、制備的生物全可吸收微型BC（1.5cm × 1.5cm × 1mm）電壓窗口達(dá)到1.5V，充放電3000次后電容保留率為70%，在體外模擬體液環(huán)境中可正常工作30天，在SD大鼠體內(nèi)可正常工作50天。該電容器首次實現(xiàn)了液體環(huán)境中可降解儲能器件的長時間穩(wěn)定工作，為未來可降解植入式電子器件的供能提供了可行方案。同時，研究者通過體外細(xì)胞培養(yǎng)實驗及動物植入實驗證明了BC的良好生物相容性，整個器件在生物體內(nèi)達(dá)到預(yù)定工作時間后，可被實驗動物（大鼠）逐步分解吸收，不需要手術(shù)取出。
綜上所述，該工作為開發(fā)環(huán)境友好的儲能器件提供了新方法，為微型化、可降解和可植入的能源器件提供了新的解決方案，具有向未來可降解植入電子醫(yī)療器件發(fā)展的重要潛力。
該項工作得到國家萬人計劃“青年拔尖”、科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、北京市拔尖人才和北京市自然科學(xué)基金的支持。
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