Small: 植入式电源系统的最新研究进展

植入式电子器件是一种新兴设备,可以通过集成多种电子元器件,在人体中实现诊断和治疗功能,其中电源设备是确保植入式电子器件正常使用必不可少的组件。然而,传统电源一般体积较大且呈刚性,部分电源可能包含对生物体有害的材料,对具有柔性且容纳空间有限的生物组织而言存在诸多风险,因此探索既有材料的创新制备工艺与开发新材料依然是植入式电源设备的重要研究方向,对临床转化和未来智能医疗等领域都具有非常重要的意义。

来自清华大学材料学院的尹斓课题组综述了非常规植入式电源在小型化、柔性或可生物降解等方向的技术现状及最新研究进展。

文章首先总结并比较了植入式电子器件的典型功耗和电压输入。在生物医学应用中,生物传感系统通常所需功率较低(不超过50µW),主要集中于通信、模数转换和信号处理;射频数据传输需要10μW~1.5 mW的功率;刺激器所需功率依作用部位而异,范围较广。通过对不同设备功耗要求的总结,可以对动力系统进行更准确的设计和材料选择,更有针对性地满足实际需求。

其次,文章介绍了植入式非常规电源的一般设计策略。常规电源通常体积和刚性都比较大,并且可能包含潜在危险组件需要特殊封装;而生物体具有一定柔性、容纳空间有限,这些特征对电源系统提出了新的挑战,即需要最大程度地减少接口不匹配并提供足够的功率来满足临床应用的要求。理想情况下,植入式电源应具有以下特征:小型化,机械性能接近生物软组织,材料具有良好的生物相容性,用于短期或中期使用的系统能够完全生物降解、无需二次手术取出等。

随后,作者们进一步回顾和讨论了非常规电源的代表性前沿工作,主要涉及能量存储系统(电池和超级电容器),从人体(生物燃料电池,利用生物电势的设备,压电收集器,摩擦起电设备和热电设备)和环境中(超声波能量收集器,感应耦合/射频能量收集器和光伏设备)获取能量等10种体内供能手段,各种方式各有优势与不足,但都为新兴的诊疗系统提供了可行的选择。

最后,文章从设备性能稳健性、生物相容性、小型化设计等几个角度客观评价了非常规电源系统的优劣,并对这一领域的未来发展潜力进行了展望。新兴电子设备正朝着几百微米的规模发展,具有更好的生物相容性功能(柔性,可拉伸,可生物降解)且能以可控方式提供能量供应是植入式电源系统最终目标。尽管找到一个通用于人体所有部位植入式生物电子器件的供能方案仍然是一个巨大的挑战,但材料和制备工艺的进步将会提供更多功能和更新颖的诊疗方式,为未来智能化医疗助力。

相关论文“Materials strategies and device architectures of emerging power supply devices for implantable bioelectronics”发表在 small(DOI: 10.1002/smll.201902827)。尹斓副教授为通讯作者,黄雪莹博士和王柳博士为共同第一作者。