独家 | 引领未来！生物医疗器械植入式电池技术的创新（上）

人机界面和生物医学修复学发展快速，其中融合了人类和机器的能力。这些创新带来了巨大的好处，但植入性医疗器械（IMD）的有效性取决于其电池的可靠性。本文分为六部分，这些部分分别讨论了电池技术在各个方面的进展，如在新型材料、无线充电解决方案、生物能源收集等方面，同时本文也明确了现有电池技术中的关键挑战，并还强调了人工智能技术在改善植入式电池健康监测方面的前景。

IMD的发展依赖于电源的不断创新，以实现可靠而可持续的运行状态。能量收集技术、无线能量传输和生物兼容电源在提升植入式设备的功能方面发挥着至关重要的作用，为药物输送、监测和治疗干预提供了新的可能性。鉴于医疗植入物的重要性以及对其可靠运行所需的可持续电源的需求，本研究旨在展示IMD供电用电池和新型能量收集技术的最新进展。对谷歌学术和Scopus数据库进行了详尽搜索，以确定与该主题相关的研究论文。通过在数据库中搜索自供电生物医学植入物、生物医学设备能量收集、新型植入式电池、自供电生物传感器、神经植入物、无线能量传输、自供电药物输送、无电池药物输送、植入式医疗设备和挑战、植入式电池和挑战来选择文章。本综述介绍了生物医学植入物供电所采用的最新新型电池技术和能量收集技术，未来的电池技术，以及将技术从研究转移到临床使用所面临的挑战。因此，这些可以作为研究人员和学者的宝贵信息来源。

图1：植入式电池 - 当前情况

由于植入式电池技术在推动IMD的可持续性方面具有先天的重要性，因此与其相关的研究与开发呈现出无数的探索机会。锂离子、锂聚合物、薄膜、固态电池技术在能量密度、尺寸、寿命、可充电性和生物相容性方面的适用性得到了广泛研究。由于其固有的高能量密度和长寿命，锂离子电池在为医疗植入物供电方面处于领先地位。然而，刚性和沉重导致的不适使得将柔性和拉伸性纳入锂离子电池成为必要，这通过使用导电碳纳米管纤维弹簧得以可行。但是，与阳极相比，这种柔性导致阴极的容量相对较低且循环稳定性较差。随着安全性和生物相容性问题的出现，研究人员开始关注无溶剂成分的固态锂电池、生物相容性离子液体-生物聚合物电解质支持的薄而紧凑的镁-空气电池，以及含丝素蛋白-离子液体聚合物电解质的可生物降解薄膜镁原电池。

此外，针对可穿戴动力纺织品研究了受自然启发的界面，以实现可缝合、可编织和可清洗的纤维锌电池。丝素离子交换膜可从盐度差异中产生能量，并且基于压电原理的离子交换膜被认为是植入式设备的理想能量来源。这表明，为了提高电池在生物医学应用中的效率，近期发展解决了传统电池所带来的限制，如有限寿命、刚性结构和低能量密度。此外，近期发展使得自动充电技术和无线供电选项可用于植入式电池。另外，在开发水环境用植入式电池时，还强调了电化学与机械性能、可降解性和生物相容性。这一集合揭示了电池技术的进步，以提高生物医学植入物供电用电池的性能。

通过进行模拟与建模、体内、体外、大规模原型等不同实验，对新型电池和能量采集技术的电气特性进行了验证。在压电超声能量采集器（PUEH）中，通过将隔膜浸入水中并传递突发模式正弦信号来确定共振频率。施加100 kHz至1 MHz范围内的信号，并监测PUEH的响应情况。由于第一和第三共振峰重叠，薄振膜设计可使宽带达到170 kHz至820 kHz。此外，为了消除近场干扰，在两个PUEH之间施加幅度为10 Vpp、频率为200 kHz的正弦信号，在范围（1-4cm）内改变距离，由此确定不同最大输出的最佳距离。实际上，由于难以在精确位置植入器件，因此经常导致产生的电压偏离实验结果。通过在PEUH的宽带内调整频率来解决这一问题。在水箱中使用大型锆钛酸铅（PZT）发射器和PUEH接收器来重构设备，以此验证了不同频率下的能量收集能力。对不同频率输入的功率输出进行了量化，发现在370 kHz时功率为84.3 nW。

此外，还发现，在强度为700 mW/cm2的超声波（US）下，该设计可以产生高达59.01 μW的功率，强度为2.9 mW/cm2。实验测试结果与基于有限元分析（FEA）模型获得的COMSOL模拟结果吻合良好。在另一项实验中，利用约克夏猪模拟人体内部环境，对摩擦电能量采集器进行了体内研究。实验结果表明，该能量采集器无需外部信号调节即可产生10 V和4 μA的输出。此外，还记录了输出电压随呼吸运动的波动，这表明其具有呼吸功能监测能力。在动物模型中测试PZT能量采集器时，采用不同的意识状态来确定设备特性，例如，充分麻醉控制下的恢复状态和意识状态。在这三种状态下，设备可与心脏功能良好响应，分别产生2.3 V、2.2 V和0.3 V的峰间电压。压电能量收集装置的示意图如图2所示。

基于电磁感应的能量采集器的特征在于，在不同的输入信号频率和不同的线圈连接下，随时间产生输出电压。实验结果表明，通过自动切换线圈连接，可以改变输出发电量。

图2 压电生物力学能量收集装置示意图

a 压电电容器，PI封装堆叠在硅衬底上 b 各层互连

 c 带柔性电缆的装置 d 等效电路

一台实用的电磁（EM）发电机使用16个和8个线圈就能分别产生5.1 mW和4 mW的功率。与无线供电神经接口配合使用的无线充电器集成电路（IC）在较宽的电源电压范围内（如4.35至16V）和电流范围内（如0.1 A至2 A）的效率大于85%。在基于无线电力的无线能量传输实验中，利用耦合模式理论（CMT）对谐振器之间的相互作用进行了分析。理论和数值结果证实了在共振频率下进行有效能量交换是可行的，只要谐振器之间存在强耦合。基于无线电力的无线电力感应的主要限制在于，电磁场必须均匀分布以实现强耦合，针对这一需求的研究可以推动基于无线能量传输的植入式设备的发展。

使用光学显微镜对含有壳聚糖胆碱硝酸盐CS-[Ch][NO3]聚合物电解质膜的集成固态电池进行了表征，结果表明，以1:1的重量比向壳聚糖中添加[Ch][NO3]可显著提高电解质膜的离子电导率（7.3 × 10–4 S cm−1），而纯壳聚糖膜的离子电导率低于10–8 S cm−1 。丝素胆碱硝酸盐（SF-[Ch][NO3]（1:3））复合电解质的离子电导率为3.4 mS cm−1，在电流密度为10 μA cm−2时，电池容量为0.06 mAh cm−2。基于壳聚糖和丝素电解质的电池具有良好的生物降解性，因此被推荐用于为短时瞬时生物医学植入物供电，便于输送药物和监测再生组织。经证明，Zn/MnO2设计的可再充电固态纤维电池具有91 Wh·L−1的体积能量密度，即使在1000次充电-再充电循环后仍能保持98%的容量。表1总结了植入式电池的研究进展。

4.1 心脏植入设备

起搏器、植入式心脏复律除颤器（ICD）和心脏再同步治疗装置是主要的心脏植入设备。这些设备在调节心脏功能方面发挥着重要作用，因此对为其供电的电池提出了量身定制的要求。在设计心脏再同步治疗和ICD时，寿命是一个需要考虑的重要因素。然而，电池的寿命在不同的制造商之间存在差异，因此，一致性设计已成为当务之急。影响植入式电池寿命的另一个重要因素是植入体提供的心室起搏量，而心室起搏量又因患者而异，并随时间而增加。尽管经过精心设计，但仍然存在一些可导致ICD电池故障的内在不确定性，包括(i)患者预期寿命和心脏植入物使用寿命不匹配(ii)由于包含低压电容器而导致电池过早耗尽，以及(iii)电池的估计寿命和实际寿命之间存在差异，这需要进行可靠预测。这些研究表明，电池具有长寿命、高可靠性和高能效特点，可以确保心脏植入设备的不间断运行。

4.2 神经植入物和脑机界面（BMI）

通过补充神经信号，包括神经元群的低频信号和个体神经元的高频动作电位，神经植入物在提高众多患者的生活水平方面发挥着重要作用。神经植入物与BMI相结合可以进行适当的监测和控制，能够记录大脑的信号，并对传递给神经元的信号进行调节。对于设备放置及其发射接收能力相关的难点，需要在电池的物理特征和电量方面进行专门的电池设计。生物相容性、小型化以及向大脑特定区域定向供电是神经植入物和BMI设备供电电池亟待解决的一些重要要求。靶组织的复杂性要求在神经植入物中使用高度生物相容性材料，其中也包括电池材料。此外，强烈推荐灵活的小型设备，因为它们可与弯曲的皮质表面保持保形接触，这有助于稳定处理神经信号。就神经植入物电池而言，首要要求是围绕小型化和生物相容性进行研究，以确保向设备安全供电。也就是说，无线能量传输和生物能源采集技术得到了深入研究，因为与其他技术相比，这两种技术表现出良好的生物相容性。然而，用电需求高时，传统电源是唯一可靠的电源，因此在很大程度上也对天然材料进行了探索。所以，当提到神经植入物的灵活性时，小型化和生物相容性是传统电池设计的主要要求。然而，无线能量传输和生物能量收集等新兴技术仍处于起步阶段，因而存在许多探索机会。

4.3 药物输送系统和生物传感器

植入式药物输送系统和生物传感器的最新发展已经改变了慢性治疗和康复机构的情况。以纳米科学为指导，只有凭借其固有的纳米级生物传感器，植入式生理监测设备才得以实现。为了获得小型化的好处，甚至利用纳米级材料对药物输送系统进行了设计。这些研究预示了纳米生物传感器作为IMD的发展情况。药物输送系统能够提供精确可控的药物输送，而生物传感器使生理参数实时监测成为现实。这样的系统反过来又依赖于高效的电源来正常工作，这对效率、可靠性、小型化和安全性提出了要求。

植入式药物输送系统的内在特征在于多储器，这些储器可以携带一定量药物，按照预定时间表进行输送，因此这些单元占据一定量的设备体积，为此需要严格缩小尺寸以适应与其相连的每一个其他组件，电池也不例外。由于尺寸限制是植入式药物输送系统和监测系统电池设计的主要障碍，因此植入式系统中引入了微电池技术。经证明，葡萄糖燃料电池的能量收集能够产生高达43 µA峰值功率密度的能量，推荐用于植入式药物输送装置供电。另一方面，由生物可降解聚合物制成的药物输送系统能够通过感应生物环境中的生物标志物按需递送药物，这种系统正在成为传统储器型药物输送系统的一种有前途的替代方案。经证明，生物医学植入物（如装载药物的心脏支架）可以防止再狭窄并实现长期通畅。这种系统能够在没有电池的情况下工作，并在短时间内实现精确输送药物的期望目标。传统植入式药物输送系统的局限性之一是无法根据需要改变药物释放速率。这种可定制性要求给设备增加信号发射接收功能，而尺寸和功率限制再次发挥作用。考虑到所有这些因素，在很大程度上对无线能量传输到药物输送设备以取代传统电池进行了探索。

生物传感器和监测设备固有的无线能量传输以及能量收集技术得到了广泛的研究。超灵敏低功率植入式生物传感器能够监测伤口和骨折愈合期，仅需较小功率即可实现可靠运行，而这些能量可从生物源中获取。例如，最新的生物医学矫形外科植入物配备了能量采集器，能够为其中的植入物健康监测提供动力。有限元分析表明，这种改良版髋关节植入物与3压电能量采集器相结合，可以产生1.76 V和55 J/s功率。然而，在植入式药物输送和基于生物传感器的监测系统中，电池设计的主要限制之一是尺寸，这可以通过无线能量传输技术进行有效解决。这种严格的设计限制为纳米技术的应用创造了机会。

原文来源：Discover Applied Sciences (Published online: 01 November 2024)

作者：Umapathi Krishnamoorthy、Priya Lakshmipathy、Manohar Ramya、Hady H. Fayek4

图片来源：Discover Applied Sciences

文章翻译：Medtec Team