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高可靠性和高能量密度生物相容性对称钠离子微电池

  神经和心血管疾病的快速发展需要植入性医疗设备(IMDs)的创新。多种IMDs已应用于心脏起搏器、微刺激器、心脏复律除颤器、药物递送微芯片、人工耳蜗植入等现代临床诊断和治疗。高可靠、低毒性、高能量的动力源驱动对于IMDs长期的体内诊断和治疗有着很高的要求。目前,IMDs的植入式电源主要包括锂电池、锌电池、镁电池等,其稳定连续的电能输出使其在慢性病治疗设备中的应用成为可能。然而,目前大多数植入式电池包括坚硬的金属外壳,它们将有毒/有害化学物质封装在电极和电解质中,防止它们与身体接触。同时,坚固的外壳会产生额外的惰性重量,为可植入电池建立刚性结构,从而导致其体积更大,能量密度更低,安全性更低。这种电池用在IMDs中,当长期植入人体时会大大增加感染和炎症风险。因此,迫切需要探索低毒性、高可靠性、体积小的新型植入式电源,以推动IMDs的发展。
  近日,研究者构建了一种具有自支撑结构、高安全性和高能量存储能力的生物相容性对称钠离子微电池,并在IMDs中得到了应用。在这项工作中,作者采用静电纺丝、静电喷雾、碳化相结合的方法构建了球形网络结构的薄膜电极。静电纺丝和静电喷雾技术的相结合使活性物质/碳球均匀地加入到碳纳米纤维基体中,从而产生了结构稳定、电子/离子传输速度快、负载量高的电极。柔性微电池是基于交叉数字化微电极和生物相容电解质制备而成,为生物电子技术提供了一种新的可植入电源。对称钠离子微电池是由基于Na2VTi(PO4)3的双功能电极和生物相容电解质构成的。将高容量保持(98%以上)和高稳定性的微电池植入一只活SD大鼠体内一个月,进一步证明了其长期体内诊断的高可靠性。因此,该研究为开发高可靠性、高能量密度的可植入生物电子电源提供了新的思路。相关研究成果以"Biocompatible Symmetric Na-ion MicroBatteries with SphereIn-NetworkHeteronanomat Electrodes realizing High Reliability and High Energy Density for Implantable Bio-Electronics"为题发表于ACS Appl. Mater. Interfaces 期刊上。
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