近年來，可穿戴與可植入電子器件因有望推動電子信息、生物醫(yī)學和 AI 等多個領域的革命性發(fā)展而備受關注。然而，如何構(gòu)建適應生物環(huán)境的高性能電池仍是領域內(nèi)一項長期的挑戰(zhàn)。
傳統(tǒng)電池由于楊氏模量較高，與生物軟組織力學性能不匹配，容易在軟組織運動變形過程中造成組織創(chuàng)傷。同時，設計出具有生物安全的電池材料，實現(xiàn)電池在生物環(huán)境中長期穩(wěn)定工作，也是迫切需要解決的問題。
盡管現(xiàn)有的商用鋰離子電池已經(jīng)在智能手機和電動汽車等領域廣泛應用，但它們無法滿足這些新型電子器件的需求。
南京大學副教授張曄的主要研究方向是功能高分子材料，她提出并實現(xiàn)了新型高分子儲能電池。
一方面，可以承受復雜形變，并可通過紡織實現(xiàn)集成應用，滿足可穿戴設備的應用要求；另一方面，力學性能與生物軟組織相當，能夠形成高度穩(wěn)定的器件/生物組織界面，以滿足植入式醫(yī)療器械的應用要求。
其中，聚合物化學電池使植入式醫(yī)療器械（如心臟起搏器）的使用壽命有望延長至 50 年，為降低當前電池每隔幾年需要進行手術更換的風險提供了新的解決方案。
這種新型電池不僅提供了關鍵的能源供應，還具備特定的力學性能，以適應人體各部位（如皮膚、心臟或大腦）對柔韌性、安全性和在復雜生物環(huán)境下穩(wěn)定工作的需求。
憑借開發(fā)一系列柔軟聚合物化學電池，兼具高生物安全性和高能量密度，推動可穿戴設備和植入式醫(yī)療器械的應用落地，張曄成為 2023 年度《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”中國入選者之一。
構(gòu)建兼具高生物安全性和高能量密度的新型電池
張曄的研究目標是開發(fā)新一代適應人體環(huán)境的能源和電子設備，研究與生物軟組織相互作用的機制，從而發(fā)展出面向體內(nèi)能源供給、生理信號監(jiān)測、信息傳輸、閉環(huán)式治療等多功能集成的生物電子系統(tǒng)。
博士階段，張曄在復旦大學彭慧勝教授課題組從事纖維材料與電池的開發(fā)。針對傳統(tǒng)電池剛性大，容易在三維扭曲和大形變環(huán)境下發(fā)生性能衰減和失效等問題，在國際上率先提出并實現(xiàn)了一系列新型纖維鋰離子電池、金屬空氣電池等儲能器件。
與傳統(tǒng)塊狀或平面器件相比，直徑在微米尺度的纖維儲能器件具有質(zhì)量更輕、柔性更好、集成性更強等優(yōu)勢，可實現(xiàn) 360 度全角度彎曲、三維扭曲甚至拉伸等復雜形變，并可通過紡織方法將其集成為柔軟、透氣的織物。
張曄表示：“這種創(chuàng)新的纖維電池能夠被編織進柔軟、透氣的織物中，讓未來的智能服裝在戶外甚至極端環(huán)境下，也能隨時隨地為電子設備供電。”
據(jù)介紹，纖維電池技術的兩項發(fā)明專利目前已經(jīng)轉(zhuǎn)讓和轉(zhuǎn)化，正在向產(chǎn)業(yè)化推進。
隨著研究的深入，她發(fā)現(xiàn)這一類纖維電池具有與軟組織相當?shù)目箯潉偠?，能夠形成良好的器?組織界面，有望應用在植入式醫(yī)療設備中。
為了深刻理解材料器件與細胞組織的相互作用機制，她來到美國哈佛大學醫(yī)學院奧米德·法羅哈扎德（Omid Farokhzad）教授團隊從事博士后工作，并系統(tǒng)地接受生物醫(yī)學相關的專業(yè)培訓。
2019 年 10 月，張曄加入南京大學并擔任課題組組長，開始探索體內(nèi)高性能電池。通過揭示聚合物化學電池與生物軟組織相互作用的機制，設計和制備聚合物凝膠材料，構(gòu)建出一系列新型柔軟聚合物化學電池。
團隊成員、南京大學博士生何兒以人體能源的來源——線粒體為啟發(fā)進行探索。他們發(fā)現(xiàn)，線粒體作為細胞的能量工廠，具有獨特的雙層膜結(jié)構(gòu)：內(nèi)膜提供了穩(wěn)定的反應環(huán)境，而外膜則具有良好的生物相容性和物質(zhì)交換能力。
基于這一自然模型，張曄與何兒等成員將體液作為電解質(zhì)，并以新型反應路徑開發(fā)出新型生物電池體系，旨在為體內(nèi)的電子器件提供穩(wěn)定的能量供應[1]。
這種電池的外層膜能夠?qū)崿F(xiàn)物質(zhì)的高效交換，而內(nèi)層膜則能夠維持穩(wěn)定的電化學反應空間，從而實現(xiàn)了與生物軟組織相匹配的力學性能和優(yōu)異的電化學性能，并且具有高度的生物安全性。值得關注的是，該電池的能量密度達到 2282Wh/kg。
美國阿貢國家實驗室陸?。ìF(xiàn)浙江大學講席教授）評價稱：“雙層凝膠電解質(zhì)有效地防止鎂負極腐蝕和形成致密鈍化層，所得到的鎂空氣電池能量密度是目前報道的最高值 [2]?！?/p>
其構(gòu)建了與人體環(huán)境適應，體積可以薄至 0.015mm3，并且可以在不降低能量密度的情況下擴大到 400 倍。此外，它還能夠使用不同的環(huán)境進行穩(wěn)定放電，并顯著減少了異物反應，為開發(fā)高性能植入式電池提出了有效的策略。
“該設計使得電池能夠為體內(nèi)的電子設備提供穩(wěn)定的能源，并且具有迄今為止報道中最高的能量密度，這在體內(nèi)植入式設備中是前所未有的?！睆垥险f。
與此同時，張曄和團隊成員、南京大學博士生葉婷婷還提出了干法交聯(lián)的普適性方法 [3]，制備出兼具良好彈性和高電學性能的聚合物凝膠電池，不僅擁有高電子電導性和高界面電荷轉(zhuǎn)移效率，而且其柔軟性與人體組織相似。
它在的比容量方面的表現(xiàn)優(yōu)異，其中全水凝膠鋰離子電池實現(xiàn) 82mAh·g-1，而在鋅離子電池中的比容量表現(xiàn)則為 370mAh·g-1。
值得關注的是，全凝膠電池的楊氏模量為 80kPa，表明它能夠與人體組織（例如皮膚和心臟）的力學特性相匹配。
通過合成具有高度生物相容性的電池材料，建立了穩(wěn)定的器件/組織界面，從而實現(xiàn)良好的穩(wěn)定性和高度的生物安全性，有望與具有檢測、修復、通訊等功能器件高度集成 [4]。
推動技術在可穿戴設備和植入式醫(yī)療器械的應用落地
新型柔軟聚合物化學電池與手機等領域中常見的剛性塊狀電池不同，它們可以被制造成柔軟的薄膜，不僅能夠貼合在任何不規(guī)則形狀的表面上，例如神經(jīng)導管的圓弧形狀，還可以持續(xù)為其提供均勻的電場。
中南大學周江教授評述相關研究：“這種類似軟組織的柔軟電池，徹底消除了剛性組件，具有較好的物理生物相容性，是生物相容電池的首選 [5]?！?/p>
這一創(chuàng)新有望為體內(nèi)電子設備提供更持久、更高效的能源解決方案，為開發(fā)新型電池鋪平了道路。
此外，這些電池還可以設計成纖維狀，通過多股纏繞實現(xiàn)傳感、能源供應和信息傳遞等多種功能的集成，為醫(yī)療應用提供小巧而多功能的解決方案。
需要了解的是，現(xiàn)有的腦起搏器需要在患者鎖骨下放置電池，并通過長引線連接，這不僅容易導致感染和斷裂，其還是造成醫(yī)療設備失效的原因之一。
目前，該技術已經(jīng)進入大動物實驗階段，并與臨床醫(yī)生展開合作，共同探索將新型柔軟聚合物化學電池技術應用于心臟起搏器、腦起搏器以及體內(nèi)傳感器等醫(yī)療器械的可能性。
此外，這種電池技術還有望用于解決長段神經(jīng)修復、皮膚損傷修復、骨組織和軟骨組織修復等醫(yī)學難題。
張曄解釋說道：“柔軟、安全且高能量密度的電池能夠直接貼在醫(yī)療導管的內(nèi)壁上，提供原位電刺激以促進神經(jīng)修復，并能夠減少了患者二次手術的所面臨的風險和痛苦。”
美國北卡羅萊納州立大學助理教授阿邁·J·班道卡（Amay J. Bandodkar）認為，基于電池的神經(jīng)導管促進髓鞘堿性蛋白的合成和受損神經(jīng)中有髓神經(jīng)纖維的成熟，最終將加速坐骨神經(jīng)的再生 [6]。
未來，張曄與團隊成員將繼續(xù)致力于開發(fā)可穿戴和可植入新一代電子設備，進一步提升其穩(wěn)定性和與生物體的兼容性等。
他們計劃發(fā)展具有優(yōu)異性能的新型材料和多功能集成的生物器件。另一方面，目前張曄與課題組也在探索該技術與 AI 結(jié)合的可能性。
盡管 AI 在醫(yī)學圖像診斷方面已經(jīng)展現(xiàn)出超越人類的準確率，但這還遠遠不夠。他們的目標是利用高精度的生物器件收集海量數(shù)據(jù)，并結(jié)合 AI 的高效的分析能力，實現(xiàn)更精準的個性化健康管理。
張曄表示：“希望我們能夠建立與醫(yī)療功能組件的高效集成方法，以解決現(xiàn)在醫(yī)療電子器件能源供給、疾病早期精準檢測、診斷和個性化治療等問題。并且，我們的技術也有可能在信息交互、國防等領域具有潛在應用價值?！?/p>
參考資料：
1.Er He, Junye Ren, Lie Wang, Fangyan Li, Luhe Li, Tingting Ye, Yiding Jiao, Dan Li, Jiacheng Wang, Yuanzhen Wang, Rui Gao, Ye Zhang, Mitochondrion-inspired magnesium-oxygen biobattery with high energy density in vivo,Advanced Materials2023, 35, 2304141. https://doi.org/10.1002/adma.202304141
2.Tingzhen Li et al. Recent progress and future perspectives of flexible metal-air batteries.Smart Materials , 2021, 2, 519. https://doi.org/10.1002/smm2.1076
3. Luhe Li, Dan Li, Yuanzhen Wang, Tingting Ye, Er He, Yiding Jiao, Lie Wang, Fangyan Li, Yiran Li, Jianxun Ding, Kai Liu, Junye Ren, Qianming Li, Jianjian Ji, Ye Zhang, Implantable zinc-oxygen battery for in situ electrical stimulation-promoted neural regeneration,Advanced Materials2023, 35, 2302997.
https://doi.org/10.1002/adma.202302997
4.Tingting Ye, Jiacheng Wang, Yiding Jiao, Luhe Li, Er He, Lie Wang, Yiran Li, Yanjing Yun, Dan Li, Jiang Lu, Hao Chen, Qianming Li, Fangyan Li, Rui Gao, Huisheng Peng, Ye Zhang. A Tissue-Like Soft All-Hydrogel Battery.Advanced Materials2022,34, 210512.https://doi.org/10.1002/adma.202105120
5.Shize Lei, Zhexuan Liu,Cunxin Liu,Jingjing Li,Bingan Lu,Shuquan Liang and Jiang Zhou. Opportunities for biocompatible and safe zinc-based batteries.Energy & Environmental Science2022, 15, 4911. https://doi.org/10.1039/D2EE02267B
6.Nate T. Garland, Rajaram Kaveti, Amay J.Bandodkar. Biofluid-Activated Biofuel Cells, Batteries, and Supercapacitors: A Comprehensive Review.Advanced Materials2023, 35, 2303197. https://doi.org/10.1002/adma.202303197
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