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南京大学张晔课题组：用于生物电子学的植入式电池

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-01-29 15:00

正文

近日，南京大学张晔副教授的AMR述评文章“Implantable Batteries for Bioelectronics”在线发表。文章回顾了用于生物电子学的植入式电池的发展历程，并结合生物电子学的发展趋势，探讨了下一代植入式电池的需求，包括柔软性、良好的生物相容性、高能量/功率密度以及高集成效率。作者总结了团队在近年来为满足这些需求所取得的研究进展，并展望了植入式电池领域仍面临的一些挑战及其未来发展方向。

关键词：生物电子学，植入式电池，力学匹配，能量密度，生物相容性

文章内容简介

植入式生物电子器件凭借其与生物组织的直接交互能力，在健康监测、疾病治疗和人体功能增强等领域展现出独特优势，被视为引领下一代产业革命的核心技术。电池作为其“心脏”，为实现传感、治疗、控制和通信等关键功能提供了必不可少的能源支持。

图1 植入式电池的发展需求

过去几十年，锂电池技术的迅猛发展为植入式生物电子器件的繁荣奠定了坚实基础。然而，为了推进生物电子学的进一步发展，下一代植入式电池的研发显得尤为关键。首先，植入式电池应具备能匹配生物组织力学性能的柔性，从而减少对组织的损伤和免疫反应。此外，植入式电池还必须具备良好的生物相容性，不会因毒性或不良反应对人体造成伤害。植入式电池还应需要具备优异的电化学性能和结构稳定性，以确保在体液中长期稳定地工作。还需进一步提升植入式电池的能量和功率密度，这将有助于推动植入式生物电子器件在微型化、多功能化、高集成度和长期稳定性方面的持续发展。因此，近年来，许多研究集中于从材料开发、结构设计和性能优化等角度，致力于开发下一代可植入电池。

本述评回顾了植入式电池的发展历程，分析了下一代植入式电池的要求。接下来，我们总结了植入式电池在实现柔软性、良好的生物相容性以及高能量密度的最新研究进展。此外，我们还探讨了如何将这些电池高效集成到植入式生物电子器件中的方法。最后，我们总结并展望了植入式电池的发展路线和未来前景。先进的植入式电池技术的出现，预计将为生物电子学带来巨大的发展机遇，这些进步将改变当前的医学模式，并为人机交互的革命性时代铺平道路。

AMR：请问您选择该领域的初心是？

作者团队：

植入式电子器件不仅能够改变传统医学的治疗方式，提升人体健康管理的精度与实时性，还能在疾病预防、功能恢复甚至人机交互等方面发挥革命性作用。随着科技的进步，这一领域有望带来更加个性化、精准的医疗方案，从而推动医学和生物工程的跨越式发展。植入式电池为植入式电子器件提供必不可缺的能源。因此，推动这一领域的研究，不仅具备科学和技术上的挑战性，更关乎改善人类生活质量、促进健康事业和创新产业的未来。

AMR：请和大家分享一下这个领域

可能会出现的研究机会！

作者团队：

植入式电池的研究虽然取得了一些成果，但仍有改进空间。首先，在材料设计方面，如何通过设计更加生物相容的材料来进一步改善组织匹配和电化学性能，仍是一个持续追求的目标。例如，现有的高能量密度植入式电池通常基于金属负极，其固有的刚性限制了电池向类组织柔软性的演进。因此，开发具有类似组织柔软性的金属负极显得尤为重要。其次，对于需要长期植入的设备，比如心脏起搏器，电池的寿命和稳定性至关重要。我们希望电池能够在人体内稳定工作多年，而不需要频繁更换。而对于一些短期使用的医疗设备，例如用于术后恢复的刺激器，这就需要开发能够在完成任务后安全降解的电池，这样患者就无需经历额外的移除手术。此外，我们还在探索如何让植入式电池更加智能化。例如，电池能够根据身体的实际需要来调节电量输出，或者在检测到异常情况时发出警报。这样的智能电池将大大提高植入式医疗设备的功能性和安全性。随着这些研究的深入，植入式电池将能够更好地服务于各种新兴的生物医学应用。

AMR：您对该领域的发展有何愿景？

作者团队：

未来，我们期望植入式电池领域的发展能够促进能源、材料、化学、生物医学和工程等多学科的交叉合作，吸引并培养更多的优秀人才。同时，也希望先进的表征技术能够广泛应用于这一领域，以深入研究电池材料设计、体内电化学反应机制、器件与组织的相互作用等亟待解决的难题，为发挥其应用潜力提供有力支持。

作者团队简介

张晔，南京大学现代工程与应用科学学院副教授，博士生导师。2017年博士毕业于复旦大学，2018-2019在哈佛大学从事博士后研究，2020年起在南京大学担任课题组组长和博士生导师。研究方向为功能高分子材料及其在能源领域的应用。

焦一丁，南京大学现代工程与应用科学学院博士后。2018年本科毕业于复旦大学，2022年获得伦敦大学学院博士学位，导师为Ivan P. Parkin教授。研究方向是用于电化学储能和生物医学应用的功能性软材料。

何儿，南京大学现代工程与应用科学学院博士研究生。2020年本科毕业于东华大学，目前在南京大学攻读材料科学与工程专业博士学位，导师为张晔副教授。她目前的研究方向是用于生物电子应用的柔性储能器件。

课题组成员

扫码阅读张晔副教授团队的精彩Account文章：

Implantable Batteries for Bioelectronics

Yiding Jiao, Er He, Tingting Ye, Yuanzhen Wang, Haotian Yin, and Ye Zhang*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.4c00342

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