長效供電技術(shù)有望徹底解決植入式醫(yī)療器件的供電問題

近日，中國人民大學(xué)化學(xué)系王亞培教授研究團(tuán)隊(duì)在植入式醫(yī)療器械無線供電領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Skin Thermal Management for Subcutaneous Photoelectric Conversion Reaching 500 mW”為題發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊Advanced Materials上。

心臟起搏器、腦神經(jīng)刺激器等植入式醫(yī)療器件可以極大地改善患者的癥狀和生活質(zhì)量，具有重要的意義。但是，這類器件往往難以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的電能供給，一旦電池能量耗盡，就可能變?yōu)闊o用的“電子廢物”，使得病人不得不再次面對(duì)二次手術(shù)帶來的巨大風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)以更換電池。近期，中國人民大學(xué)化學(xué)系王亞培教授研究團(tuán)隊(duì)基于交叉學(xué)科研究背景，開發(fā)了一系列基于二區(qū)近紅外光的長效供電技術(shù)，有望徹底解決植入式醫(yī)療器件的長期供電問題。

基于二區(qū)近紅外光-熱-電能量轉(zhuǎn)換策略的植入式醫(yī)療器件無線供電技術(shù)

現(xiàn)有的經(jīng)皮有線供電技術(shù)是一項(xiàng)可以持續(xù)提供高功率密度電力的解決方案，但長時(shí)間使用經(jīng)皮供電易引發(fā)感染，甚至危及患者生命。相比之下，將能夠穿透皮膚屏障的電磁波轉(zhuǎn)換為電能的無線充電技術(shù)具有更為優(yōu)異的生物安全性，具備為植入式醫(yī)療器件電池長期供電的潛力。波長位于1000-1350 nm的二區(qū)近紅外光，具有較高的組織穿透深度和最大組織暴露功率密度。對(duì)于同一皮下植入器件，二區(qū)近紅外光的理論最大充電能量甚至是其他電磁波的數(shù)十倍。

基于上述研究背景，研究團(tuán)隊(duì)提出基于二區(qū)近紅外光-熱-電能量轉(zhuǎn)換策略實(shí)現(xiàn)植入式醫(yī)療器件無線供電技術(shù)。在光照時(shí)，該器件可以先通過高光熱轉(zhuǎn)換效率和低熱輻射率的選擇性吸收涂層將光能轉(zhuǎn)換為熱能，再通過熱電轉(zhuǎn)換將熱能轉(zhuǎn)換為電能。同時(shí)，熱防護(hù)層的存在可以保證這一過程不會(huì)對(duì)生物組織造成熱損傷。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)借助仿真軟件，通過熱管理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、器件內(nèi)部對(duì)流換熱和輻射換熱調(diào)控以及引入改性相變儲(chǔ)熱材料等方法，進(jìn)一步提高器件整體的能量轉(zhuǎn)換效率。與無防護(hù)措施的光熱-熱電器件相比，該方法將熱損耗降低了70%，將能量轉(zhuǎn)換效率提高超過20倍。更進(jìn)一步的生物實(shí)驗(yàn)表明，通過外界光照可以令植入兔子腹腔內(nèi)的器件產(chǎn)生超高輸出功率（10 毫瓦），這足以驅(qū)動(dòng)心臟起搏器或內(nèi)窺鏡等植入式醫(yī)療器件正常工作，與現(xiàn)有的技術(shù)方案相比具有顯著優(yōu)勢(shì)。

基于皮膚熱管理的光熱電-光電協(xié)同轉(zhuǎn)換策略提升植入式醫(yī)療器件能量利用效率

在前期的研究基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提出了基于皮膚熱管理的光熱電-光電協(xié)同轉(zhuǎn)換策略。通過將光-熱-電能量轉(zhuǎn)換器件與光電轉(zhuǎn)換器件結(jié)合起來，并設(shè)計(jì)多級(jí)熱管理結(jié)構(gòu)，減少光伏電池產(chǎn)生的熱量與生物組織之間的熱交換，并將這部分能量通過熱電器件導(dǎo)出、轉(zhuǎn)換并儲(chǔ)存在蓄熱材料中。這種設(shè)計(jì)思路在確保生物安全性的前提下，一方面降低了光伏電池的熱衰竭損耗，提升了光電轉(zhuǎn)換效率；另一方面，也能將多余的熱量轉(zhuǎn)化為電能，通過熱電器件實(shí)現(xiàn)能量的有效利用。這兩者相互促進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了能量的協(xié)同轉(zhuǎn)換，從而顯著提升了器件對(duì)近紅外二區(qū)光的能量利用效率。

通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)，這一設(shè)備的極限能量輸出功率被證實(shí)可達(dá)500毫瓦，最大能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到9.4%，足以直接驅(qū)動(dòng)攝像頭或心臟起搏器等設(shè)備。進(jìn)一步的細(xì)胞染色實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)備對(duì)生物組織沒有造成損害。這項(xiàng)成果為植入式醫(yī)療器件的未來發(fā)展提供了有力的支持。

相關(guān)背景

以上工作均得到了國家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國人民大學(xué)理工學(xué)科建設(shè)處的資助，成果分別刊登在國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Nature Communications和Advanced Materials上。兩篇文章的第一作者為中國人民大學(xué)化學(xué)系碩士畢業(yè)生呂善知，通訊作者為王亞培教授，中國人民大學(xué)為第一通訊單位。詳見Adv. Mater. 2023, 2306903；Nat. Commun. 2022, 13, 6596。

中國人民大學(xué)化學(xué)系王亞培教授研究團(tuán)隊(duì)長期從事光熱轉(zhuǎn)換、復(fù)雜乳液、綠色電子、醫(yī)用材料等領(lǐng)域的科研工作，并重點(diǎn)關(guān)注它們?cè)谄つw醫(yī)學(xué)工程和智慧農(nóng)林材料與技術(shù)等方向上的應(yīng)用創(chuàng)新。團(tuán)隊(duì)面向國家重大戰(zhàn)略需求，積極推動(dòng)化學(xué)與其他學(xué)科的交叉融合，通過構(gòu)建學(xué)科間密切合作，以期解決國家能源環(huán)境、臨床醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)科技等領(lǐng)域中面臨的卡脖子難題。