上硅所朱英杰、刘宣勇团队/北林马明国Nano Energy：锌离子混合超级电容器用作生物医用植入式电源

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-12-02 07:50

正文

【 研究背景 】

与其他水性电化学储能系统相比，锌离子电池和锌离子混合超级电容器（ZHSC）在可穿戴和植入式电子设备中具有潜在应用价值。锌负极具有高理论比容量、低氧化还原电位和快速离子传输动力学。锌是人类健康的重要微量元素，生物安全性好。美国营养委员会建议每天摄入高达40毫克。水性锌离子储能器件可以为体内植入式给药装置提供动力，进一步推动了该领域的发展。然而，在植入式水性锌离子功率模块中同时实现卓越的能源供应能力、匹配生物组织的强大机械柔韧性、出色的生物安全性和保形粘附仍然存在挑战。近日，中国科学院上海硅酸盐研究所朱英杰研究员团队、刘宣勇研究员团队、北京林业大学马明国教授团队报道了一种薄型、柔性和湿粘附的锌离子混合超级电容器（ZHSC），作为具有高生物相容性和卓越性能的植入式电源。

这种薄型植入式锌离子混合超级电容器由MXene基正极和凝胶电解质集成的锌负极组成，具有强连接的界面，确保良好的机械柔性和稳定的电化学性能。锌离子混合超级电容器展现出482.58 mF cm ⁻² 的面积电容和7.37 mWh cm ⁻³ 的能量密度。配备集成电解质的ZHSC在5 A g ⁻¹ 下经过10000次循环后，容量保持率达到96.4%，显著优于使用传统分离电解质的设备（75.6%）。通过引入丝蛋白封装膜，ZHSC表现出优异的湿粘附性，能牢固地粘附在弯曲和湿润的生物组织/器官上。体外和体内评价研究表明，具有高生物安全性的ZHSC可在植入大鼠体内后提供稳定的电源供应。重要的是，植入式ZHSC可在体内降解，降解过程中不产生有毒物质。这项工作为设计和制造具有卓越性能的生物相容性、薄型和湿粘附植入式能量存储设备提供了范例。

相关成果以“ A biocompatible, thin, wet-adhesive, and high-performance zinc-ion hybrid supercapacitor as an implantable power source for biomedical application ”为题发表在国际期刊 Nano Energy 。论文的第一作者为北京林业大学材料科学与技术学院博士研究生 李丹丹和 上海硅酸盐研究所 邱家军副研究员 ，通讯作者为中国科学院上海硅酸盐研究所 朱英杰研究员、刘宣勇研究员、李恒副研究员， 北京林业大学 马明国教授 。该研究工作得到了国家自然科学基金、上海市青年科技英才扬帆计划资助、徐汇区医学重点学科项目以及中科院青年创新促进会等项目的资助。

研究结论

（1）成功研制了一种基于MXene复合正极和凝胶电解质集成一体锌负极的可植入锌离子杂化超级电容器（ZHSC）。

（2）合理的材料设计和器件配置使ZHSC具有厚度小（0.142 mm）、机械柔韧性强、电化学性能优异的特点。

（3）在1.3 V电压下工作的单个ZHSC显示出482.58 mF cm ^-2 的高电容和104.73µWh cm ^-2 的能量密度。两个串联的ZHSC可以连续为电动计时器供电近9天，突出了它们的实际应用潜力。

（4）经丝蛋白膜封装后，ZHSC对软组织具有很强的粘附性，可以牢固地粘附在弯曲和潮湿的生物器官上，确保其稳定运行。

（5）系统的体外和体内评价表明，ZHSC具有良好的生物相容性和生物安全性，可在大鼠皮下植入后提供稳定的电力供应。此外，植入的ZHSC可以在体内降解，植入90天后降解率约为75%。H&E染色结果表明，ZHSC降解过程中产生的物质对宿主无毒无害。

ZHSC在保持高电化学性能的同时，实现了高生物相容性、与软组织匹配的力学性能、与软组织的强粘附性的良好整合。该研究为植入式生物电子学提供了一种有前途的能量存储模块，并为未来电子系统的生物集成提供了一种新的策略。