綜述背景

隨著第五代移動通信技術(shù)和尖端芯片的廣泛使用，包括可穿戴和植入式電子設(shè)備在內(nèi)的人體電子設(shè)備正在逐步發(fā)展。具體來說，可穿戴電子設(shè)備，包括人造皮膚、智能服裝和柔性手表，可以實現(xiàn)體溫、心率和環(huán)境監(jiān)測，通過可穿戴能源中心為智能手機無線充電，以及其他功能。植入式電子設(shè)備可以進行一系列的醫(yī)療測量，如藥物輸送、組織和神經(jīng)愈合，以及對目標(biāo)組織的監(jiān)測，如心臟、動脈、肌肉組織、皮下組織和神經(jīng)系統(tǒng)。作為電子設(shè)備的核心部件，能源樞紐在維持電子設(shè)備的正常運行方面發(fā)揮著重要作用。電子產(chǎn)品在人體中從外到內(nèi)的應(yīng)用越來越深入，功能也越來越復(fù)雜，對能源樞紐提出了更苛刻的要求：絕對安全和高能量密度。作為一種電化學(xué)儲能系統(tǒng)，能夠有效地將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的電池在這方面具有獨特的優(yōu)勢。不同于含有有機電解液的鋰離子電池的易泄漏、有毒性和易燃性，水系電池依靠水系電解液的穩(wěn)定性和高生物相容性，正在成為這些電子設(shè)備的首選能源樞紐。特別是近年來，以水系鋅電池為首的水系電池的快速發(fā)展，使其在可穿戴和植入式電子設(shè)備中的應(yīng)用達到頂峰。然而目前還缺乏對水系電池在人體電子設(shè)備中的最新發(fā)展和應(yīng)用的全面總結(jié)。為此，在近期文獻的基礎(chǔ)上，該綜述從電極、電解液、封裝材料和電池配置等方面回顧和總結(jié)了與水系柔性和生物可降解植入式電池相關(guān)的研究。基于人體內(nèi)外電子設(shè)備不同的能量供應(yīng)和工作環(huán)境要求，該綜述重點總結(jié)了柔性電池優(yōu)異的電化學(xué)和機械性能的耦合策略，以及植入式可降解電池的長期放電性能、生物相容性和可降解性的合理設(shè)計。旨在為開發(fā)高性能的人體電子能源樞紐提供新的研究思路。

圖1. 可穿戴電池和可植入電池供電的電子設(shè)備的應(yīng)用場景和功能概述.

本文以題為“Aqueous Batteries forHuman Body Electronic Devices”在國際知名期刊ACS Energy Letter上發(fā)表。本文第一作者為中南大學(xué)湘雅醫(yī)院整形外科李晶晶博士，通訊作者為中南大學(xué)材料學(xué)院周江教授和中南大學(xué)湘雅三醫(yī)院整形外科陳志釗博士。

圖文導(dǎo)讀

圖2. 多功能柔性電極.

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圖3. 水凝膠電解液.

圖4. 纖維電池、堆疊電池和微型電池構(gòu)造.

圖5. 可穿戴電池的實際應(yīng)用.

圖6.人體每日金屬元素攝入上限量和電極儲能機理.

圖7.正極材料電化學(xué)性能、生物相容性和可降解性.

圖8.凝膠電解液生物相容性和可降解性.

圖9.封裝材料.

總結(jié)與展望

作為一種在人體內(nèi)外使用的儲能裝置，水系電池在安全方面具有絕對的優(yōu)勢，具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。迄今為止，在協(xié)調(diào)水系可穿戴電池和可降解植入式電池的電化學(xué)性能和機械性能、可降解性和生物相容性方面已經(jīng)取得了巨大的進展。然而，事實上，這些電池離實際應(yīng)用還很遠，仍處于起步階段。對于可穿戴電池和可降解植入式電池的未來發(fā)展，該綜述提出以下觀點和展望：

(1)電極材料是水系電池的一個重要研究方向。目前，很少有水系電池的電極材料能夠兼具高比容量和高輸出電壓。其中，基于溶解沉積機制的MnO2正極被證明具有超過1100 Wh kg-1的能量密度，可以引入到可穿戴電池中。此外，S正極材料具有超高的理論容量，在解耦條件下甚至可以達到2000 Wh kg-1以上的能量密度，也是一種值得研究的電極材料。對于可降解的植入式金屬空氣電池，開發(fā)具有高ORR和HER催化活性的正極材料是一個可行的研究方向。在這些具有生物相容性的金屬基材料的基礎(chǔ)上，可以進一步進行元素摻雜，貴金屬的單原子化，或與碳基材料結(jié)合，以降低成本，提高催化活性，同時保證降解性和生物相容性。此外，考慮到一些正極材料的降解周期非常長，可以設(shè)計具有雙邊溶解機制的可降解電池，即正極和負極的活性材料在放電過程中一起轉(zhuǎn)化為離子，實現(xiàn)同步降解。此外，負極是決定生物可降解電池放電時間的關(guān)鍵因素。鎂和鋅金屬負極容易被電解液腐蝕，導(dǎo)致放電時間大大縮短。因此，負極的腐蝕保護勢在必行，可以從合金化和涂層保護入手，緩解負極的自放電問題。

(2)應(yīng)該為可穿戴電池開發(fā)多功能的水凝膠電解液。可穿戴電池的工作環(huán)境復(fù)雜多變，需要水凝膠電解液能夠同時實現(xiàn)高機械性能、耐高低溫、高離子傳導(dǎo)性和電極保護，以保證電池的電化學(xué)性能穩(wěn)定。因此，必須關(guān)注水凝膠各項性能的改善策略和機制，并嘗試結(jié)合多種改善策略，以達到協(xié)調(diào)的效果。對于可生物降解的植入式電池，準(zhǔn)固體水凝膠電解液也值得進一步研究。首先，許多水凝膠來自于生物，本身具有良好的生物相容性和可降解性。其次，一些水凝膠對負極保護有積極作用，因為它們的凝膠骨架可以鎖定大部分水分子，防止水與負極接觸。同時，水凝膠電解液可以使電池配置更加緊湊，減少對封裝材料和技術(shù)的要求，可以適應(yīng)更復(fù)雜的工作環(huán)境。此外，高離子傳導(dǎo)性也是水凝膠電解液提高電池性能的出路。

(3)封裝材料的選擇對可降解植入式電池極為關(guān)鍵。封裝材料是可降解電池與生物組織接觸的主體，有可能引起宿主的排斥。當(dāng)封裝材料的彈性模量高于目標(biāo)組織的耐受上限時，會引起組織撕裂和炎癥等一系列問題。因此，封裝材料的生物相容性是首要考慮因素。此外，封裝材料的降解時間應(yīng)長于電池的放電時間，這可以通過增加封裝材料的厚度來調(diào)節(jié)。還應(yīng)控制封裝材料的均勻降解性，以防止快速的局部降解，導(dǎo)致內(nèi)部元件的暴露。

(4)對于可穿戴電池，需要建立多變量環(huán)境與可穿戴電池的電化學(xué)性能之間的關(guān)系。目前，缺乏對可穿戴電池在外力作用下的大量電化學(xué)測試。特別是各種機械作用，包括動態(tài)拉伸、動態(tài)扭轉(zhuǎn)、動態(tài)彎曲、動態(tài)折疊和動態(tài)沖擊，對不同溫度和濕度下的電化學(xué)性能的長期影響。對于植入式電池，迫切需要建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來評估可降解植入式電池的生物相容性、可降解性和電化學(xué)性能。目前對生物可降解植入式電池的電化學(xué)性能的測試是在生物體外進行的，缺乏在生物體內(nèi)實際操作的電化學(xué)數(shù)據(jù)。也缺乏對可降解植入電池的生物相容性和可降解性的體內(nèi)驗證，包括具體的降解周期、周圍細胞的存活、目標(biāo)組織的排斥、降解過程中對體液中微量元素的追蹤以及對宿主生命體征的監(jiān)測。

(5)對于各種植入式醫(yī)療設(shè)備，特別是那些有長期能源供應(yīng)需求和高功率消耗的設(shè)備，具有生物相容性、可生物降解和可充電的高性能能源樞紐是非?？扇〉?。介導(dǎo)氧化還原反應(yīng)的生物衍生材料可以在體內(nèi)進行充電，如黑色素色素、多巴胺和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，它們可以作為水系電池的正極材料。同時，調(diào)節(jié)封裝材料的結(jié)晶度和厚度，確保電池的降解時間大于服務(wù)時間。在此基礎(chǔ)上，可介入無線充電系統(tǒng)，實現(xiàn)植入電池的長期充電/放電以及最終的降解，避免二次手術(shù)。