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生物可降解电子医疗器件的能量源—全可吸收电容器

1. 电容器实现了体内及体外的生物全可降解及生物全可吸收;
2. 电容器集流体在基底上的强粘附使电容器实现了长时间稳定工作的效果;
3. 电容器在模拟体液环境中实现了30天稳定工作,在大鼠体内实现了50天稳定工作;
【前沿部分】
生物可降解电子器件的发展近年来备受关注,作为一种新型电子器件,生物可降解电子器件可在生理或环境水中实现全部降解或部分降解,完全不同于传统电子器件持久工作的特点。可降解电子器件应用场景主要包括:植入式医用诊断及治疗,这类器件可被人体吸收避免二次手术及长期植入带来的副反应;军用传感器,这类器件使用完毕后不用回收,可实现器件本身的即时降解,起到信息保密作用;便携式消费性器件,这类器件丢弃后可自行降解,避免了废弃物带来的回收成本及健康风险。在生物可降解电子器件中,可降解能源供给器件是维持可降解电子器件正常工作的必要组成部分,但迄今为止对可降解植入电子医疗器件的能源供给研究十分有限。相比与无线传感供能及商用电池供能,可降解植入式能源器件需同时满足小型化、良好生物相容性以及生物可吸收性的要求,以此达到临床微创手术长期植入无需取出的目的。
2012年王中林院士提出了基于摩擦起电及静电感应耦合的摩擦纳米发电机(TENG),此器件可将机械能转化为电能并储存于商用不可降解电容器中供下一步使用。李舟研究员的课题组长期从事可植入器件在生物医学领域的应用研究:2016年李舟课题组的郑强助理研究员首次开发出一种基于人工高分子的生物全可降解摩擦纳米发电机(BD-TENG),该工作实现了BD-TENG在生物体内的全可降解,并将BD-TENG成功用于调节神经细胞的定向生长 (Sci. Adv. 2016, 2: e1501478);2018年博士生江文、李虎和刘卓发表了基于纯天然材料(纤维素/甲壳素/丝素蛋白/米纸/蛋清)的生物全可降解摩擦纳米发电机(BN-TENG)的研究工作,并将BN-TENG成功用于心肌细胞跳动速率的调节(Adv. Mater. 2018, 30, 1801895)。同年,博士生李喆和封红青副研究员利用金纳米棒的光热性能,将其复合到可降解材料中制备出了光热可控的摩擦纳米发电机(BD-iTENG),该工作实现了TENG降解速率的光控调制,并将其成功用于组织修复及伤口愈合(Nano Energy 2018, 54, 390-399)。
随着研究的不断深入,并根据可植入医疗电子器件正常工作的供能需求,近日,中国科学院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员与王中林院士研究团队及北京航空航天大学生物与医学工程学院樊瑜波教授研究团队在生物可降解能源器件领域取得重要进展,相关研究成果发表在最新一期 Advanced Science(IF:12.441)上(DOI:10.1002/advs.201801625),第一作者:博士生李虎、 赵超超。
【核心内容】
本研究工作开发出小型化可植入的生物全可吸收电容器(BC),可在空气及液体环境中正常工作,并实现了BC对TENG输出能量的有效储存。该器件具有以下特点:1)通过水热法在聚乳酸(PLA)高分子基底表面生长出一层PLA纳米柱,为集流体铁电极(Fe)提供了极强的附着力,使得Fe电极在液体环境中依然保持很好的导电性而不脱落;2)通过蒸发驱动自组装使氧化锌纳米颗粒在Fe电极上自组装成一层生物可降解多孔储电层,为电荷的存储提供了很高的表面积;3)制备的生物全可吸收微型BC(1.5cm × 1.5cm × 1mm)电压窗口达到1.5V,充放电3000次后电容保留率为70%,在体外模拟体液环境中可正常工作30天,在SD大鼠体内可正常工作50天。该电容器首次实现了液体环境中可降解储能器件的长时间稳定工作,为未来可降解植入式电子器件的供能提供了可行方案。同时,研究者通过体外细胞培养实验及动物植入实验证明了BC的良好生物相容性,整个器件在生物体内达到预定工作时间后,可被实验动物(大鼠)逐步分解吸收,不需要手术取出。作为生物全可吸收的能源储存器件,本研究开发的电容器工作性能(如生物相容性、生物全可吸收性、生物体内正常工作时长、工作电压及电容循环性能)达到了同领域的国际领先水平。
生物可降解电子医疗器件的能量源—全可吸收电容器 图1. BC的结构、形貌及制备流程图。(a)BC结构示意图。PVA/PBS水凝胶的红色及绿色球分别代表阳离子及阴离子。(b)通过蒸发驱动自组装技术在NP-PLA支撑基底表面制备BC的流程示意图。(c)PLA及NP-PLA膜的图片及AFM形貌图。(d)自组装ZnO层,PVA/PBS水凝胶,Fe电极及PLA纳米柱SEM形貌图。EDX图谱中紫色及绿色点分别代表锌元素及碳元素。
生物可降解电子医疗器件的能量源—全可吸收电容器
图2.BC在空气环境中的基础电容性能。(a)不同扫描速率下的循环伏安曲线。(b)不同电流密度下的恒电流充放电曲线。(c)安全电压窗口测试。(d)不同扫描速率下的面积比电容变化。(e)1V电压下电流密度0.02mA/cm2时电容器循环稳定性测试。(f)BC电化学阻抗谱。
生物可降解电子医疗器件的能量源—全可吸收电容器
图3.体外水环境中BC的电容性能及生物可降解性能。(a-d)PBS中37℃下边缘未封装的BC短期工作电化学性能。(e-h)PBS中37℃下边缘封装后的BC长期工作电化学性能。(i)BC在细胞培养皿中37℃下体外降解性能。(b)和(f)中的电流密度分别为0.02mA/cm2和0.1mA/cm-2。生物可降解电子医疗器件的能量源—全可吸收电容器
图4.BC组成材料的生物相容性表征。L929细胞在不同培养时间的细胞粘附,增殖及形貌。比例尺:100μm
生物可降解电子医疗器件的能量源—全可吸收电容器
图5.BC体内生物可吸收性评价及电容性能测试。(a)BC在SD大鼠皮下植入示意图。(b)BC植入部位不同时间点BC降解前后图片。(c)BC植入大鼠体内50天的循环伏安曲线。(d)BC植入到大鼠体内50天内面积比电容变化趋势。(e,f)6个月后BC植入部位组织切片H&E染色。(g,h)BCs串并联条件下的恒电流充放电曲线。(i)BC植入SD大鼠体内6个内逐渐降解的micro-CT图像。micro-CT图像经过重构及伪彩技术处理。植入的BC尺寸为1.5 cm × 1.5 cm × 1 mm.
材料制备过程
NP-PLA膜及Fe电极的制备:将PLA颗粒放置到250℃的钛片上,熔化后将另一片钛片按压到PLA熔液至理想厚度(约0.4mm),然后将其放入到去离子水中冷却,将PLA膜从钛片上撕下来,裁剪成适当尺寸(1.5cm×1.5cm)。最后将PLA膜放置到PBS中,80℃烘箱处理2天。其中用于体内植入的PLA,处理时间为3天。经过水热反应后PLA膜表面生长出一层纳米柱制备成NP-PLA膜。Fe电极时在100W功率下30分钟磁控溅射到PLA膜表面。PLA纳米柱将Fe电极牢牢固定在PLA膜表面。
PVA水凝胶的制备:将浓度为10X的细胞培养用PBS稀释成1X,将2gPVA粉末加入到20mlPBS中,80℃超声直至形成均匀透明溶液。最后将该溶液冷却至室温变成清澈透明的PVA水凝胶。
ZnO自组装层的制备及BC组装:ZnO粉末经过大量去离子水及75%乙醇超声清洗。将其悬浮液放置到灭菌的小瓶中备用。为实现ZnO在Fe电极上的快速自组装,实验使用纯乙醇作为分散剂。15gZnO粉末加入到1ml的纯乙醇中,100W超声分散20分钟。然后将ZnO分散液逐滴滴加到Fe电极表面。当乙醇完全挥发后,ZnO粉末在Fe电极上自组装成一层多孔ZnO储电层。随后将0.05ml PVA水凝胶添加到ZnO层表面并用硅片使水凝胶均匀覆盖在ZnO层表面。然后将样品放置到无菌操作台里,直至PVA凝胶完全干燥形成一层薄膜将ZnO层固定。最后,将2滴PVA水凝胶(0.1ml)添加到PVA薄膜上。最后将两片样片组装成三明治状结构,并用鳄鱼夹固定约1小时直至挤压出的PVA水凝胶完全干燥。
细胞培养:将PLA膜,BC器件及Fe电极固定在24孔板底部。将L929(1×106个/孔)细胞接种到材料表面并在含有10%牛血清及1%盘尼西林/链霉素的DMEM中培养。L929细胞在培养箱中分别培养24h,48h及72h。对于ZnO粉末,实验使用不同浓度的ZnO粉末浸提液(0,0.1,1,10μg/mL)培养L929细胞。其中0μg/mL的浓度设置为实验参照组。
Hu Li, Chaochao Zhao, Xinxin Wang, Jianping Meng, Yang Zou, Sehrish Noreen, Luming Zhao, Zhuo Liu, Han Ouyang, Puchuan Tan, Min Yu, Yubo Fan, Zhong Lin Wang, Zhou Li. Fully Bioabsorbable Capacitor as an Energy Storage Unit for Implantable Medical Electronics. Adv. Sci. 2019, 1801625, DOI:10.1002/advs.201801625

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参考文献:Adv. Sci.

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