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電池線路板之真正意義上的植入式自驅動醫療電子器件

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人氣:-發表時間:2020-06-05 08:50【

北京納米能源與系統研究所、北航生物醫學工程高精尖創新中心和海軍軍醫大的科學家們成功研制了共生型心臟起搏器(SPM, symbiotic cardiac pacemaker),它可以從心臟跳動中獲取能量,為自己提供電能。SPM的能量采集部分為植入式摩擦電納米發電機(iTENG),其具有柔性、良好的生物相容性、優異的穩定性和體內高輸出性能等特點。在未來,植入式醫療電子設備可以利用人體能量實現自驅動。

植入式醫療電子(IMEs, implantable medical electronics)是學術界、醫學界和產業界的一個熱門話題。電池電路板小編舉個例子,例如,心臟起搏器是治療心律失常和心力衰竭等嚴重心臟疾病的最重要IMEs之一。然而,目前大多數IMEs都由鋰電池進行供能,續航能力有限,并且鋰電池占據了IMEs大部分的體積和重量。許多研究人員試圖延長IMEs的使用壽命,同時減少其尺寸和重量,這著實是一個不小的挑戰。除了研制更高能量密度的電池外,一些其他的方案也應該值得關注,比如納米發電機和自驅動技術。

王中林院士和李舟研究員領導的研究團隊一直致力于自驅動技術的研究,特別是基于植入式納米發電機的自驅動醫療電子設備的研究和開發。受生物共生現象的啟發(例如根瘤菌與植物間的共生),他們提出了基于植入式摩擦電納米發電機(iTENG, implantable triboelectric nanogenerator)的共生型心臟起搏器(SPM, symbiotic cardiac pacemaker)。電路板廠了解到,SPM可將心跳的能量收集起來驅動起搏電路發出脈沖;這些脈沖同時又刺激心臟,使出現異常的心臟恢復正常。這樣SPM與心臟之間就達到了“相互依存、相互受益”的“共生”狀態。目前SPM已成功在大型動物(豬)體內實現了“全植入”的自驅動運行,并成功進行了心律不齊的治療。

每一個心臟運動周期SPM可獲得的能量高達0.495 μJ,高于心臟起搏閾值能量(通常為0.377 μJ)。也就是說,SPM可實現“一次心跳,一次起搏”,這對自驅動心臟起搏器邁向臨床和產業化具有重要意義。同時,SPM的實現也為新型自驅動醫療電子設備提供了一條嶄新的演化途徑。這項由北京納米能源與系統研究所、北航生物醫學工程高精尖創新中心和海軍軍醫大的科學家們共同研究的成果與2019年4月23日發表在 Nature CommunicaTIons ,標題為SymbioTIc cardiac pacemaker 。

真正意義上的植入式自驅動醫療電子器件

“從2009年開始,我們嘗試從器官和肌肉的運動中收集生物機械能量?!表椖康闹饕撠熑酥焕钪垩芯繂T說,“那時,我們制作了基于單根氧化鋅(ZnO)納米線的壓電型納米發電機,并成功收集了大鼠的心跳能量。但是,該裝置的輸出性能較低(1 mV開路電壓和1 pA短路電流),如何利用這些微小的能量是另一個挑戰?!?/span>

轉折點出現在2012年,王中林院士首次提出了基于摩擦起電和靜電感應效應的摩擦納米發電機(TENG),并用其實現了機械能到電能的轉化、存儲及電子設備的自驅動。TENG具有出色的輸出性能和能量轉化效率,更重要的是,TENG易于加工成多種不同的尺寸和結構,以便用于不同的穿戴式和植入式應用場景。

2014年,李舟研究員及其團隊重新對TENG進行設計改造,使其能夠用于體內的能量收集??紤]到體內復雜的生化環境,他們采用了生物相容性好的高分子材料對TENG進行封裝--這就是植入式摩擦納米發電機(iTENG)。iTENG的體內輸出性能更加優良:植入在大鼠皮下,利用呼吸的能量,可產生3.43 V的開路電壓和0.14 μA的短路電流。同時,他們利用這些電能成功驅動了心臟起搏器原型機。

《自然》雜志對上述這項發表在 Advanced Materials 的工作進行了特色報道:“在大鼠體內進行了實驗,通過只有幾頁紙那么薄的器件來產生微瓦的能量,現在他們正在豬的體內開展這項技術研究”(原文:began tesTIng the system in rats, creaTIng milliwatts of energy from a device the thickness of a few sheets of paper. Now his team is testing the same technology in pigs)。iTENG和基于iTENG的自驅動心臟起搏器引起了學術界的高度關注。

“讓心臟起搏器能夠以自驅動的方式運行是一件極具挑戰同時也很有意義的事情,”李舟研究員說到,“我們的身體有大量可以利用的能量,例如心跳和呼吸。iTENG的體內輸出性能明顯優于壓電型納米發電機。這意味著許多電子設備,特別是植入式醫療電子設備,如起搏器等,可以通過iTENG實現自驅動”。

現在,科學家們已經成功實現了共生型心臟起搏器,這是iTENG和自驅動醫療電子設備走向實際應用和臨床使用邁出的堅實一步。PCB廠認為,正如王中林教授所說,“在未來,傳感器、物聯網(IoT)、醫療電子器件和便攜式電子設備都可以從周圍環境中提取能量為自己供電。電子設備正進入自驅動時代”,更為便捷的生活方式和更加智能的電子設備已經逐漸進入我們的生活并將改變世界。

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