研究制備出可自然降解的可植入微型超級電容器

近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員吳忠?guī)泩F(tuán)隊(duì)和遼寧省腫瘤醫(yī)院張鑫豐教授團(tuán)隊(duì)合作，在環(huán)境友好和可植入式儲能器件開發(fā)方面取得新進(jìn)展，研制出了可自然降解且生物相容的可植入微型超級電容器。相關(guān)成果發(fā)表在《美國化學(xué)會 納米》上。

可植入微型超級電容器示意圖。大連化物所供圖

超級電容器是一種能量儲存器件，它利用電解質(zhì)離子在電極表面、近表面發(fā)生吸附/脫附或快速的氧化還原反應(yīng)來進(jìn)行能量的存儲。由于其能量儲存過程只發(fā)生在表面和近表面，不涉及體系內(nèi)部反應(yīng)，因此超級電容器具有充放電速度快、循環(huán)壽命長、安全性好等優(yōu)點(diǎn)，是電化學(xué)儲能器件中極具實(shí)力的“短跑運(yùn)動員”。微型超級電容器在未來可穿戴和可植入電子設(shè)備領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力，但用于微型超級電容器的傳統(tǒng)材料往往不可降解且具有生物毒性，無法實(shí)現(xiàn)器件在體內(nèi)的穩(wěn)定存留，并會產(chǎn)生大量的電子垃圾，難以滿足未來器件的無害化和可植入的使用需求?？山到獠牧显谧匀粭l件下可以被分解為無害的小分子，而且通常具有優(yōu)異的生物相容性，是制備可降解和可植入微型超級電容器的首選材料。

本工作中，研究人員將具有良好可降解性的淀粉和聚己內(nèi)酯（PCL）制備成為封裝材料和柔性基底，并采用羧甲基纖維素和膨潤土調(diào)節(jié)電極和電解質(zhì)漿料的流變性，在此基礎(chǔ)上結(jié)合團(tuán)隊(duì)前期開發(fā)的3D打印策略構(gòu)筑出可降解的可植入平面微型超級電容器。由于器件使用的所有高分子材料均具有可降解特性，該微型超級電容器在天然土壤中90天左右實(shí)現(xiàn)了順利降解。此外，高濃鹽電解質(zhì)的應(yīng)用賦予了該器件優(yōu)異的耐低溫性能，其在-20℃條件下仍可以正常工作。高生物相容性的PCL/淀粉膜的封裝使得該器件可以在生物體內(nèi)穩(wěn)定存在而不損害周圍組織。

本工作為設(shè)計(jì)與創(chuàng)制環(huán)境友好且生物相容的可降解可植入微型儲能器件提供了新途徑。