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清華大學(xué)尹斕課題組 ACS Nano：可為電子藥物供能的完全可降解鋅電池
2023-03-15  來源：高分子科技

  作為一種新興的醫(yī)用設(shè)備，具有調(diào)節(jié)器官功能、改善治療效果等特點的生物可吸收電子藥物在治療后期能夠被生物體自動吸收、無需二次手術(shù)取出，近年來得到了廣泛關(guān)注和發(fā)展，但為其供能的電源組件仍是實現(xiàn)其小型化、集成化的重要挑戰(zhàn)。相關(guān)研究者提出了多種策略，包括生物可降解儲能系統(tǒng)(電池和超級電容器)、基于電感耦合和光伏的生物可降解能量轉(zhuǎn)換裝置和生物可降解能量收集裝置(摩擦電收集器、壓電收集器等)。其中，生物可降解電池系統(tǒng)具有能量密度高和易于部署的優(yōu)勢，同時能夠避免二次手術(shù)的需要，是實現(xiàn)生物可吸收電子藥物的重要電源。然而，目前可供選擇的電池體系在使用壽命、生物相容性和生物降解性等方面仍存在不足，限制了其作為臨時植入物的治療結(jié)果。


圖1. 基于長壽命完全可降解鋅電池的新型電子藥物


  針對上述需求，清華大學(xué)材料學(xué)院尹斕副教授與北京腦科學(xué)與類腦研究中心熊巍教授等課題組緊密合作，設(shè)計并制備了一種由鋅（Zn）負(fù)極和鉬（Mo）正極材料組成的電池系統(tǒng)，通過金屬顆粒的醋酸燒結(jié)增加電極比表面積以提高輸出電壓，并將完全可降解電池的壽命延長至19天，獲得了理想的能量容量和性能。實驗證明，電池材料體系具有良好的生物相容性，所提供的直流電場能顯著促進雪旺細(xì)胞的增殖和背根神經(jīng)節(jié)軸突的生長；進一步串聯(lián)4組Zn-Mo電極所得到的電池組，可驅(qū)動電化學(xué)反應(yīng)生成信號分子一氧化氮（NO），進一步調(diào)節(jié)細(xì)胞行為。植入實驗證明，電池系統(tǒng)的材料最快可在3個月內(nèi)完全降解。 


圖2. 完全可降解鋅電池為細(xì)胞生長及活動提供電場


  這項工作成功展示了開發(fā)高性能可生物降解原電池的材料選擇和制造方案，并探究了電場對神經(jīng)細(xì)胞生長及細(xì)胞活動的影響，以實現(xiàn)完全生物可吸收的新型電子藥物，對未來醫(yī)用設(shè)備的革新與治療體驗的改善提供了新的思路和策略。

相關(guān)研究成果近日以“Fully Biodegradable and Long-Term Operational Primary Zinc Batteries as Power Sources for Electronic Medicine”為題發(fā)表在ACS Nano上。


  該研究的第一完成單位為清華大學(xué)材料學(xué)院。清華大學(xué)材料學(xué)院尹斕副教授、北京腦科學(xué)與類腦研究中心熊巍教授為本文的共同通訊作者，清華大學(xué)材料學(xué)院博士生黃雪瑩、郁冰冰及生命學(xué)院博士生侯函青為本文的共同第一作者。清華大學(xué)電子系盛興副教授、北京航空航天大學(xué)王柳助理教授、解放軍總醫(yī)院彭江教授、王玉研究員團隊等為論文做出了重要貢獻。研究得到了國家自然科學(xué)基金、清華-北京協(xié)和醫(yī)院創(chuàng)新科研項目等的支持。


  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c12125

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