生物可降解电子器件是近年来备受关注的一类新型电子器件，器件在生理或环境水溶液中可完全降解、消失，完全颠覆了传统电子器件持久、稳定的特点。可降解电子器件的应用场景包括作为临时植入物执行传感和刺激功能，辅助伤口愈合、组织再生等重要的生物过程，器件使用完毕后可自行降解，被人体安全吸收，从而避免二次手术移除器件，降低潜在的手术风险和炎症反应，减少相关医疗成本。其他潜在应用还包括在环保、信息安全等领域的应用。
其中，可降解能源供给器件是可降解电子的重要组成部分，但迄今为止进展十分有限。相较于近场感应的无线能量传输及有线外接电源，具有独立供电能力和高能量密度的生物可降解电池是更适用于植入式器件的供能方案。通过稳定的电能供给，器件可以在生物体内实现自供电的长时间诊断和治疗，并可在随后完全被吸收或生物降解。因此，可降解电池在体内应用具有非常特殊的意义。
近日，清华大学材料学院的青年千人计划入选者尹斓助理教授团队提出了新的材料选择和制备方案，实现了高性能、完全生物可降解的Mg-MoO3电池。单个电池可以实现1.6 V的高稳定输出电压，相当于商用碱性电池的输出电压，同时通过电池测试、电化学分析、体内外降解实验、功能电路模拟等实验设计，全面清晰地研究了此生物可降解电池在电学和生物医学方面的性质和应用潜力。
在材料选择方面，镁作为阳极材料，具有较高的理论能量密度（2200 mAh/g）和良好的生物相容性（建议日均摄入量约300 毫克/天）；而MoO3作为电极在锂离子电池中已有较多研究，但还未被尝试应用于生物电池。通过作者团队的分析和实验，MoO3有望成为生物可降解电池方向重要的阴极材料选择。采用海藻酸钙水凝胶电解质替代常见的溶液电解质以及聚酐涂层作为包覆材料可以显著延长电池系统的使用寿命，长达13天的供能时间相对于同类生物可降解电池有较大优势。
同样得益于MEMS、CMOS技术的不断进步，文中所述的Mg-MoO3电池可以满足现在大部分超低功耗植入式器件的能量需求。作者在文中演示了单个电池为红色LED、计算器、心电信号检测器供电；另外，通过细胞实验、体外溶解实验和SD大鼠体内降解实验的验证，Mg-MoO3电池系统表现出了较好的生物相容性和降解能力
研究团队在这项工作中提出了一种全由可降解材料制备的电池，能够提供高稳定的输出电压以及理想的容量。该电池能够驱动典型的超低功耗电子设备，具有良好的生物相容性，在体内和体外均可完全降解。电池可以作为植入式电源，配合其它器件实现组织再生、手术前或手术后长时间监测。电极材料的选择和电池的制备为植入式器件的能量供应提供了优化的选择，并为完整的瞬态电子系统设计提供了重要方案。
该论文近期发表在Small 上，论文第一作者为清华大学材料学院2017级博士生黄雪莹，通讯作者为清华大学材料学院助理教授尹斓，该论文的合作者还有清华大学材料学院赵凌云、伍晖副教授，清华大学电子工程系盛兴、张沕琳助理教授，中国科学技术大学高分子系徐航勋教授。
尹斓研究团队长期从事可降解材料及电子的研究。除此之外，近期还报道过使用薄膜单晶硅材料作为可降解电子的防水封装材料，以极大延长可降解器件在体内的工作寿命，并基于此制备了可降解的皮层脑电图传感器，为解决可降解电子的封装难题提供了重要思路（ACS Nano, 2017, 11, 12562–12572, DOI: 10.1021/acsnano.7b06697）。
该论文作者为：Xueying Huang, Dan Wang, Zhangyi Yuan, Wensheng Xie, Yixin Wu, Rongfeng Li, Yu Zhao, Deng Luo, Liang Cen, Binbin Chen, Hui Wu, Hangxun Xu, Xing Sheng, Milin Zhang, Lingyun Zhao, Lan Yin
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
A Fully Biodegradable Battery for Self‐Powered Transient Implants
Small, 2018, DOI: 10.1002/smll.201800994
导师介绍
尹斓
http://www.x-mol.com/university/faculty/49675
本文版权属于X-MOL（x-mol.com），未经许可谢绝转载！欢迎读者朋友们分享到朋友圈or微博！
长按下图识别图中二维码，轻松关注我们！
点击“阅读原文”，查看 化学 • 材料 领域所有收录期刊
