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新加坡国立大学张亚敏/广西大学辛宇AM观点：伽伐尼原电池助力自供电型生物电子器件设计

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2025-09-08

导读：新加坡国立大学张亚敏/广西大学辛宇AM观点：伽伐尼原电池助力自供电型生物电子器件设计

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文章信息

基于伽伐尼原电池的自供电型生物电子器件

第一作者：辛宇

通讯作者：张亚敏*

单位：新加坡国立大学，广西大学

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研究背景

得益于先进材料和现代生物医学技术的迅猛发展，各种新型生物电子器件不断发展，其中电源模块的性能显著影响着设备的功能和使用寿命。传统的生物电子设备通常由外部电池供电，并通过外接的导线连接到组织接触电极，如市售的心脏起搏器和脑部刺激器（图1a）。这些有线电源限制了设备的紧凑性和小型化，甚至在临床应用中增大了患者感染的风险、限制了患者的活动、增大设备故障的可能和体内安全风险。因此，基于伽伐尼原电池的自供电型生物电子器件应运而生，该类型器件中具有生物相容性的电极可以直接与组织相连接，伽伐尼原电池同时充当电源和医疗元件，从而消除了对外部电源或有线连接的需求，实现了器件的小型化，显著降低了感染风险，提高了整体安全性（图1b）。

图1. 基于伽伐尼原电池的自供电型器件的设计。a）依赖外部电源和有线连接的传统器件和b）新型自供电型器件的工作原理示意图。c）生物相容性原电池中的代表性电极反应。

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文章简介

近日，新加坡国立大学张亚敏助理教授与广西大学辛宇助理教授在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Galvanic-Cell-Based Self-Powered Bioelectronic Devices”的观点文章。该文章讨论了基于伽伐尼原电池的自供电型生物电子器件的新兴概念，概述了具有生物相容性的伽伐尼原电池的原理及其在电化学医疗器件中的工作机制【包括电刺激调节、化学或生化调节、和混合电刺激/化学（生化）调节】及其控制策略【包括无控制（开路配置），被动控制（局部电阻调节）和主动控制（远程可控开关）】，同时展望了基于伽伐尼原电池的生物医疗器件开发设计的新趋势、当下挑战和未来前景。

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本文要点

要点一：生物相容性原电池

在伽伐尼原电池中，电压是由阳极和阴极上分别发生的两个氧化/还原半反应所产生的电位差引起的。基于伽伐尼原电池的器件中阳极、阴极、电解质、隔膜和封装材料的生物相容性对于生物医疗应用至关重要。具有生物相容性的阳极材料（包括Zn、Mg等）和阴极材料（MoO₃、MnO₂、AgCl等）可以在人体内保持稳定或被氧化降解成可溶性产物。图1c总结了生物相容性原电池中的一些代表性阳极氧化反应和阴极还原反应。偶联不同电极反应所构建的原电池可以在多种性能指标上（包括电压、电流、功率、容量、能量、稳定性和使用寿命）表现出不同的输出。构建合适的电极反应组合可以设计出适用于各类生物医学应用进的功能器件，并精确满足其独特的性能要求和临床需求。

要点二：器件的医疗调节方法

基于伽伐尼原电池的生物医疗器件打破了传统有线器件的局限性，为生物医疗应用提供了新的可能性。根据不同生物医学场景所需的治疗机制，这些新兴的电器件发挥医疗作用的调节方法可分被为三类：1）电刺激调制，2）化学或生化调节，3）混合电刺激/化学（生化）调节。不同的应用场景对器件的功能提出了不同的性能要求。图2总结了这三类调节方法的示意图及其具体应用实例。

图2. 基于伽伐尼原电池的自供电型器件发挥其医疗作用的调节方法。a）电刺激调节；b）化学或生化调节；c）混合电/化学（生化）调节。

要点三：器件的调节控制策略

为了实现按需的生物医疗功能调节，在器件设计过程中必须将有效的控制策略纳入考量。在电路系统中，可以通过调节电路中的电阻大小来调节放电行为和所产生的电流，从而精确控制医疗调节程度。根据工作机制的不同，相应的控制策略又可以分为三类：1）无控制（开路配置），2）被动控制（局部电阻调节），3）主动控制（远程可控开关）。图3总结了这三类控制策略的示意图及其具体应用实例。

图3. 基于伽伐尼原电池的自供电型器件的控制策略。a）无控制；b）被动控制；c）主动控制。

要点四：前瞻

得益于自供电技术的发展和伽伐尼原电池基器件设计的进步，其在心脏起搏、神经调控和受控药物输送等生物医疗领域表现出广泛的适用性，但临床转化和商业化仍面临严峻挑战。需要关注的挑战包括：1）减轻慢性炎症反应和长期植入导致的纤维化形成以提高设备安全性，2）多维度优化伽伐尼原电池性能【包括能量密度、功率密度、电压输出和运行稳定性】，3）设备小型化，植入简化，降低感染风险，减轻患者负担，加速术后恢复，4）解决生物可吸收材料的短寿命特性与设备长效性功能需求之间的矛盾等。

为了应对上述挑战，未来我们需要在1）材料设计，2）设备小型化，3）功能多样化，4）生物黏附界面，5）无线技术，6）人工智能等方面不断深入研究，从而推动基于伽伐尼原电池的自供电型生物医疗器件走向更广泛的临床应用和商业化应用（图4）。

图4. 基于伽伐尼原电池的自供电型器的发展机遇和挑战。

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文章链接

Galvanic-Cell-Based Self-Powered Bioelectronic Devices

https://doi.org/10.1002/adma.202509169

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通讯作者简介

张亚敏：新加坡国立大学设计与工程学院化学与生物分子工程系助理教授，博士生导师，担任校长青年教授（Presidential Young Professor）。张博士于2016年获得天津大学化学工程学士学位及南开大学金融学学士学位，2016-2020年底于美国佐治亚理工学院化学生物工程系刘念教授课题组攻读博士学位（电化学），2021年2月至2024年2月于美国西北大学John A. Rogers（美国四院院士、柔性电子学先驱）教授课题组从事博士后研究（生物电子），迄今以第一作者/通讯作者在Nature, PNAS, Cell Biomater., Nat. Biomed. Eng., Chem. Rev., Adv. Mater., Energy Environ. Sci., ACS Energy Lett.等国际期刊发表学术论文10余篇，合著论文30余篇，曾获MIT ChemE Rising Stars, American Heart Association Early Faculty Independence Award, NSF I-Corps, Sigma Xi Best Doctoral Dissertation等多项奖励。

辛宇：广西大学化学化工学院助理教授，2025年博士毕业于华南理工大学大学化学与化工学院，师从沈葵教授，读博期间曾获得CSC国家公派留学奖学金资助于新加坡国立大学张亚敏教授课题组进行联合培养学习（2024-2025）。辛博士于2025年7月加入广西大学徐晶教授课题组担任助理教授，主要从事新型纳米催化材料的结构设计及其电催化/热催化研究，迄今以第一作者/通讯作者在Adv. Mater., ACS Cent. Sci., Green Chem., Nano Re., Small, J. Mater. Chem. A, Chin. Chem. Lett., Nanoscale 等期刊发表SCI论文10篇。