基于柔性智能器件的心动能量收集技术研究进展学术资讯

来源：中国科学信息科学

导读

植入式生物电子器件主要依靠需要频繁充电或者手术更换的电池进行供电, 给病人带来健康风险和经济负担的双重压力. 近年来利用柔性电子器件进行生物微能量收集得到广泛关注, 特别是基于心动俘获的能量可为能耗10 μW 量级的生物电子器件持久供能. 《中国科学: 信息科学》2019年第4期出版了综述“基于柔性智能器件的心动能量收集技术研究进展”，该综述简要回顾了传统刚性器件的心脏跳动能量收集方法, 着重介绍近年来使用柔性压电器件进行心动能量收集的实验进展、理论建模分析与优化设计, 最后展望该方向的未来发展趋势.

植入式电子器件, 如心脏起搏器、心脏除颤仪、人工耳蜗、胰岛素泵、脑神经刺激器、血糖在体监控系统和药物传输系统等, 在近些年迅猛发展, 为人类健康状况改善和生活质量提高起到了至关重要的作用. 以心脏起搏器为例, 1963年第1例植入式心脏起搏器手术成功. 到2011年, 该年内接受心脏起搏器安装和更换植入手术的患者已超过200万. 目前这些植入式电子器件主要依靠电池供电, 存在诸多弊端.

电池能量密度较低, 从而体积偏大. 如典型心脏起搏器体积约为12∼16 cm3, 重量约为20∼30 g, 而其中电池体积约为5 cm3, 重量约为15 g.

电池需要频繁充电或者更换, 给病人带来健康风险和经济负担的双重压力. 如心脏起搏器和心脏除颤器每隔数年需要因为电池耗尽而重新植入, 二次手术的风险在某些情况下甚至大于首次手术; 同时每次需要耗费数万人民币, 手术费用对欠发达地区病人而言相对昂贵.

从人体体内收集能量, 如人体运动能、化学能、热能等是解决植入式电子器件供能问题的突破口.

早在1996年, Starner比较全面地调查并理论估算了人体日常活动中的能量效率, 其中体内热能约为3.7∼6.4 W, 呼吸约为0.4∼1.0 W, 血压产生的能量约为0.93 W, 上肢运动约为35 W, 行走时下肢运动产生的功率约为67 W. 值得注意的是, 如果将这些能量全部收集, 则可能会对人体正常功能产生影响. 能量收集器件的制备及在体实验测试案例众多, 如Kerzenmacher 等利用葡萄糖和氧气的电化学反应制备的能量收集装置, 其体内面积能量收集效率可达到1.6 μW·cm-2, 最近Jin等制备的柔性热电器件在温度梯度为15 K 时的能量收集效率约为0.07 μW·cm-2.

人体体内机械能广泛存在且能量较高, 如呼吸引起的胸腔运动、血管收缩、肌肉运动等, 因而备受科研人员关注. 例如早在1984 年, Häsler 等使用外径为2.6 mm、长度为40 mm 的圆管PVDF 材料制备了压电能量收集薄膜器件并将其固定在肋骨上. 当呼吸时肋骨与周围组织会相互运动从而产生电能, 其功率约为1 mW. 第二军医大学的Zhang 等[18] 在2015 年将PVDF 薄膜缠绕在猪的主动脉上进行能量收集. 薄膜尺寸约为2.5 cm×5.6 cm×0.02 cm, 在心率为120 bpm、血压为160/105 mmHg 时, 输出电压、电流最大值分别为1.5 V 和300 nA, 平均功率约为30 nW.

心脏是人体最重要的器官之一, 同时心肌也是体内比较强大耐久的肌群. 普通人一生中心脏跳动约为20 亿次, 频率在1∼3 Hz 之间, 持续输出功率约为1.4 W, 从而为整个心血管系统提供动力. 另外, 目前的植入式医疗电子器件中, 使用最多的是心脏起搏器, 其能量能耗在10 μW 左右, 约为心脏整体能量输出的0.007%. 因此利用心脏跳动收集能量为植入式医疗电子器件供电成为在体能量收集中最可行的方法之一, 备受科研人员的关注.

应用于植入式医疗电子器件的能量收集装置应该在完全不影响生命体正常生理状况的前提下进行体内能量收集, 这需要特别考虑器件的长期生物兼容性问题, 包括器件与周围组织之间的接触摩擦等的力学作用和智能材料对生物组织间产生的化学毒性反应.

本文简要回顾了使用传统非柔性机械装置的心脏跳动能量收集方法, 重点介绍了近年来使用柔性压电器件进行心脏跳动能量收集的案例, 在此基础上分析综述其中的力学问题及其解决方法, 最后简要总结并展望了该方向的研究趋势.

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动物在体实验: 3D 打印的机械能电能转化设备封装后缝合在羊的心脏表面

柔性压电器件的心动能量收集应用: ZnO 纳米线缝合到小鼠心脏上进行能量收集

来源：scis1950 中国科学信息科学

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