微型傳感技術(shù)、微型機器人以及血管內(nèi)植入物的小型化正在迅速發(fā)展，同時，這也為該領(lǐng)域的研究提出了重大挑戰(zhàn)。其中最大的挑戰(zhàn)之一，是開發(fā)與之匹配的高效微型儲能裝置，支持這些自主工作的微系統(tǒng)能夠在人體內(nèi)等越來越狹小的空間中穩(wěn)定運行。另一方面，如果要在人體內(nèi)應(yīng)用，這些微型儲能裝置還必須具有生物相容性?，F(xiàn)在，科學(xué)家們開發(fā)出了一款結(jié)合這些基本特性的產(chǎn)品原型。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，開姆尼茨理工大學(xué)(Chemnitz University of Technology)納米電子材料系統(tǒng)教授、開姆尼茨理工大學(xué)納米膜材料、結(jié)構(gòu)和集成中心(MAIN)發(fā)起人Oliver G. Schmidt博士領(lǐng)導(dǎo)的一支國際研究團隊取得了重要突破。德累斯頓萊布尼茨聚合物研究所(IPF)也作為合作伙伴參與了這項研究。

由90個管狀納米生物超級電容器(NBSC)組成的陣列，可以使血液中的微型傳感器實現(xiàn)自供能運行

這項研究成果已發(fā)布于最新一期的Nature Communication期刊，研究人員報道了迄今為止最小的微型超級電容器，它可以在(人造)血管中為微型傳感器系統(tǒng)提供能源，測量血液的pH值。

這種儲能系統(tǒng)可以為生物醫(yī)學(xué)下一代血管內(nèi)植入物和微型機器人提供能源，使它們可以在人體深處難以觸及的微小空間中工作。例如，血液pH值被認為和腫瘤活動有關(guān)，利用血管內(nèi)微型傳感器可以實時檢測血液pH值，有助于預(yù)測早期腫瘤的生長。

研究小組負責(zé)人Oliver G. Schmidt教授對這項研究的成功感到非常興奮，他表示：“看到我們開發(fā)的極為靈活、適應(yīng)性強的新型生物超級電容器如何幫助微型傳感系統(tǒng)進入生物體內(nèi)世界，非常令人鼓舞?！?/p>

Schmidt教授團隊成員、MAIN研究中心助理研究員Vineth Kumar博士說：“針對微型傳感器、微型植入物和微型機器人領(lǐng)域的最大挑戰(zhàn)，我們的納米生物超級電容器架構(gòu)首次提供了一種有潛力的解決方案——微型集成儲能器件，它能夠使多功能微系統(tǒng)實現(xiàn)自供能運行。”

比灰塵還小，電壓卻可與AAA電池媲美

此前，用于微電子元件的亞毫米級或更小的儲能器件——所謂的“納米超級電容器”，不僅面臨巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，另一方面，這些超級電容器沒有采用生物相容性材料，而是使用腐蝕性電解質(zhì)，在出現(xiàn)問題或污染時會快速自行放電。這些問題使它們不適合體內(nèi)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

在這項研究中，研究人員開發(fā)了一種所謂的“生物超級電容器(BSC)”解決方案。它們有兩個突出的特性：一是完全具有生物相容性，這意味著它們可以用于血液等體液環(huán)境，用于進一步的醫(yī)學(xué)研究;此外，這種生物超級電容器可以通過生物電化學(xué)反應(yīng)補償自放電行為。如此，它們甚至可以從人體自身的反應(yīng)中獲益。這是因為，除了超級電容器的典型電荷儲存反應(yīng)外，血液中自然存在的氧化還原酶反應(yīng)和活細胞使生物超級電容器的性能提高了40%。

此前，類似儲能裝置最小的都大于3平方毫米。Oliver G. Schmidt教授團隊現(xiàn)在已經(jīng)成功制造出體積縮小3000倍的管狀納米生物超級電容器，其體積僅為0.001平方毫米，比一?；覊m還要小，但是卻可以為微電子傳感器提供高達1.6 V的電源電壓。這種能量已經(jīng)可以用于血液中的微型傳感器系統(tǒng)。

其功率水平大致相當(dāng)于標準AAA電池的電壓，當(dāng)然，這種微型尺度上電容器的實際電流相對要低得多。為了防止因血液脈動或肌肉收縮引起的變形，這種納米生物超級電容器采用了柔性管狀形狀，可以提供有效的自我保護。在滿容量下，這種納米生物超級電容器可以為一個復(fù)雜的全集成傳感器系統(tǒng)供能，以測量血液中的pH值。

得益于一種折紙技術(shù)的靈感，實現(xiàn)了柔性、堅固和微型化等優(yōu)勢

利用一種古老的日本折紙結(jié)構(gòu)技術(shù)，將納米生物超級電容器所需要的材料放置在高機械張力的超薄表面上。當(dāng)材料層隨后以一種受控的方式從表面分離時，應(yīng)變能被釋放，材料層自身卷繞成高精度且高良率(95%)的緊湊型3D結(jié)構(gòu)。

研究人員將用這種方法制造的納米生物超級電容器在鹽水、血漿和血液三種電解質(zhì)溶液中進行了測試。在所有三種電解質(zhì)中，盡管效率各不相同，儲能效果都非常成功。在血液中，這種納米生物超級電容器表現(xiàn)出了卓越的使用壽命，即使在16小時后仍能保持其初始容量的70%。在實驗中，研究人員利用質(zhì)子交換分離器(PES)抑制納米生物超級電容器的快速自放電。

即使在真實應(yīng)用環(huán)境中，性能也保持穩(wěn)定

為了在各種情況下保持身體的自然功能，人體血液的流動特性和血管中的壓力一直在不斷變化。血液的脈動會根據(jù)血管直徑和血壓而變化。因此，血液循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的植入式系統(tǒng)必須能夠承受這些生理條件變化，同時確保穩(wěn)定的性能。

因此，研究人員分別在直徑為120~150 μm的微流控通道中(模擬不同大小的血管)，模擬并測試了納米生物超級電容器在不同流量和壓力條件下的性能表現(xiàn)。他們發(fā)現(xiàn)，這些納米生物超級電容器能夠在各種條件下提供良好且穩(wěn)定的儲能性能。

利用自供能傳感器實現(xiàn)腫瘤診斷等應(yīng)用

血液中的pH值會發(fā)生波動，持續(xù)測量pH值有助于早期發(fā)現(xiàn)腫瘤。為此，研究人員開發(fā)了一種由納米生物超級電容器提供能量的pH傳感器。Oliver Schmidt教授研究團隊之前開發(fā)的5 μm薄膜晶體管(TFT)技術(shù)可用于開發(fā)具有特殊機械柔性、在低功率(nW~μW)和高頻(高達100 MHz)下工作的環(huán)形振蕩器。

基于納米生物超級電容器的“瑞士卷”能量存儲和傳感系統(tǒng)，展示了所有活性組分，中空結(jié)構(gòu)用于血液的流動

對于當(dāng)前的研究項目，團隊使用了基于納米生物超級電容器的環(huán)形振蕩器。該團隊將對pH值敏感的納米生物超級電容器集成到環(huán)形振蕩器中，以根據(jù)電解液的pH值改變輸出頻率。這種對pH值敏感的環(huán)形振蕩器，利用“瑞士卷”折紙技術(shù)形成管狀3D幾何結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了一種完全集成且超緊湊的能量存儲和傳感系統(tǒng)。

這種微傳感器系統(tǒng)的中空結(jié)構(gòu)充當(dāng)血流通道。此外，與傳感器串聯(lián)的三個納米生物超級電容器可實現(xiàn)高效的自供能pH測量。這些特性提供了廣泛的潛在應(yīng)用，例如癌癥的早期診斷和治療監(jiān)測等。