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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(lái)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(diǎn)的生物可吸收電子藥物在治療后期能夠被生物體自動(dòng)吸收、無(wú)需二次手術(shù)取出，近年來(lái)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(shí)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(chǔ)能系統(tǒng)(電池和超級(jí)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(shì)，同時(shí)能夠避免二次手術(shù)的需要，是實(shí)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(shí)植入物的治療結(jié)果。


圖1. 基于長(zhǎng)壽命完全可降解鋅電池的新型電子藥物


  針對(duì)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(jì)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(guò)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(zhǎng)至19天，獲得了理想的能量容量和性能。實(shí)驗(yàn)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(chǎng)能顯著促進(jìn)雪旺細(xì)胞的增殖和背根神經(jīng)節(jié)軸突的生長(zhǎng)；進(jìn)一步串聯(lián)4組Zn-Mo電極所得到的電池組，可驅(qū)動(dòng)電化學(xué)反應(yīng)生成信號(hào)分子一氧化氮（NO），進(jìn)一步調(diào)節(jié)細(xì)胞行為。植入實(shí)驗(yàn)證明，電池系統(tǒng)的材料最快可在3個(gè)月內(nèi)完全降解。 


圖2. 完全可降解鋅電池為細(xì)胞生長(zhǎng)及活動(dòng)提供電場(chǎng)


  這項(xiàng)工作成功展示了開(kāi)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(chǎng)對(duì)神經(jīng)細(xì)胞生長(zhǎng)及細(xì)胞活動(dòng)的影響，以實(shí)現(xiàn)完全生物可吸收的新型電子藥物，對(duì)未來(lái)醫(yī)用設(shè)備的革新與治療體驗(yàn)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(tuán)隊(duì)等為論文做出了重要貢獻(xiàn)。研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、清華-北京協(xié)和醫(yī)院創(chuàng)新科研項(xiàng)目等的支持。


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

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