Advanced Healthcare Materials: 收集微弱血压能量的迷你发电机

大多数的植入式医疗设备如植入式心脏起搏器、除颤器和检测器等面临着电池寿命的问题,这些医疗设备在植入人体2-15年之后,由于其电池电量耗尽,需要进行手术来更换电池,这不仅在经济上给病人增加了成本,还使他们遭受手术的痛苦,甚至会引发感染等问题。因此,开发可持续产生电能的微型发电机作为电池的替代品,有望延长这些可植入设备的寿命,从而减少所需的手术次数。在生物体内存在各种可得的能量源,如心脏跳动,膈肌的收缩与舒张,血液的流动等能量,如果制备一种微发电机将这些持续产生的能量转换为电能,有望实现生物自发电技术,为植入式医疗器械的永久性供电提供可能。近年来将微小物体的运动与法拉第电磁感应结合制备的迷你发电机受到越来越多的关注,这些自驱动的物体能够带动微小导体与磁体发生无接触的相对运动,从而产生感应电能,为制备输出电流大,电阻小,使用寿命长的微型发电机提供了思路。然而,目前报道的基于运动的微发电机的输入能量大都采用较高量级的化学能,其中大部分能量以化学反应热方式耗散,不能实现能量的有效利用及电能的持续性输出。

针对以上问题,北京化工大学石峰教授课题组设计制备了血压响应的垂直运动器件,他们将羊的股动脉与迷你发电系统连通,在舒张压和收缩压的变化下,压力响应器件能够调节其密度在溶液密度上下浮动,实现上浮/下潜运动,同时带动线圈与磁体发生相对运动,将微弱的血压能转换为机械能进而转换为电能,输出功率达到13.6 μW,理论上足以驱动心脏起搏器(所需功率8 μW),为实现植入式医疗设备的可持续性的供能提供了新的解决方案。 该研究近日发表于Advanced Healthcare Materials (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adhm.201900060)上。