自驅動植入式能源收集器件的研究進展

李 舟 李 喆 劉儒平

1(中國科學院北京納米能源與系統研究所 北京 100083)

2(中國科學院大學納米科學與技術學院 北京 100083)

3(北京印刷學院印刷包裝工程學院 北京 102600)

1 引 言

目前，包括心臟起搏器、除顫器、深部腦刺激器和人工耳蝸在內的大多數植入式醫療電子器件(Implanted Medical Electronics，IMEs)均由電池供電。然而，電池容量限制了 IMEs 的使用壽命。例如，心臟起搏器的壽命約為 7～10 年，而深度腦刺激器的壽命僅為 3～5 年[1-2]。定期更換這些電源不僅會引起環境污染，而且還會增加患者的經濟負擔和精神負擔。另外，電池也占據植入式電子器件大部分的重量和體積。因此，近年來，研究人員將主要工作聚焦在提高電池壽命、降低 IMEs 中能量收集部分的重量和體積[3-4]。

能源收集(Energy Harvesters)器件是一種可以收集生物機械能、熱能或化學能的電子器件。它能夠將收集到的能量轉化為電能?，F有的能源收集器件主要有壓電式納米發電機(Pizoelectric Nanogenerator，PENG)、摩擦納米發電機(Triboelectric Nanogenerator，TENG)、光伏電池(Photovoltaic Cells，PVC)、自驅動腕表(Automatic Wristwatch，AW)、熱釋電發電機(Pyroelectric Nanogenerator，PYENG)、生物燃料電池(Biofuel Cell，BFC)和耳蝸內電位(Endocochlear Potential，EP)收集器等。人體運動的機械能和體內的化學能，如心跳、呼吸、血液循環和葡萄糖的氧化還原等，都具有轉化為電能的潛力。因此，可以制作植入式能源收集器件(Implantable Energy Harvesters，IEHs)收集人體能量。

眾所周知，人體可產生大量機械能。例如，心臟輸出功率約為 1.4 W[5]。如果可以將心臟收縮和舒張產生的機械能收集起來，并用于驅動心臟起搏器，那么上述電池續航不足的問題將可得到解決。除了心臟跳動產生的能量以外，肺的運動以及升主動脈的收縮/舒張變形也可作為生物的體內能量來源。近年來，壓電式納米發電機和摩擦納米發電機已被廣泛應用于收集大鼠、牛、豬等動物的心跳和呼吸運動產生的機械能[6-11]。除此之外，光伏電池[12-14]、自驅動腕表[15-17]及熱釋電發電機[18-19]等器件也被用作 IEHs。由于生物燃料電池(BFC)可以將體內化學能轉化為電能，因此 BFC 也可以作為一類 IEHs。然而，BFC 較低的輸出電壓限制了其實際應用。研究顯示，因為受到氧氣和生物燃料的氧化還原電位限制，大多數 BFC 的輸出電壓只有 0.5 V，而 IEHs 的持續穩定工作大多需要 2～3 V 的電壓驅動，所以BFC 不能被廣泛用于為 IMEs 供電[20]。目前，已經可以通過一些方法提高 BFC 的輸出電壓，如將幾個電池串聯[21-22]，或將電能存儲在電容器等介質中以釋放高壓短脈沖[23-24]。耳蝸內電位是在耳蝸內淋巴間隙產生的另一種體內生物化學能，已經被證明可以作為植入式電子器件的能量來源[25-27]。

除了用于收集能量外，IEHs 還可以用于生物醫療傳感。例如，植入式摩擦電傳感器固定在豬心包上，可以用于監測心率和呼吸頻率，也可以用來檢測心律失常[28]。柔性壓電式能源收集器件貼在豬心臟左心室心尖和右心室之間，可用于監測豬的心臟活動。此外，基于壓電和摩擦納米發電機的能源收集器件可用于為細胞、組織或器官提供電刺激，因此，IEHs 在促進干細胞神經分化、促進神經元組織再生和刺激心臟跳動等領域也具有潛在的應用價值[29-34]。

為了實現生物體能量的有效收集并解決IMEs 的能源供給問題，本文對近年來的 IEHs 進行分類和總結。具體地，主要討論了 IEHs 的種類、代表性應用及現存的挑戰，并對其未來的應用進行了展望。

2 分 類

圖1 植入式能源收集器件[10,16,25]Fig.1 Implantable energy harvesting devices[10,16,25]

植入生物體內的能源收集器件可以分為 7類：壓電納米發電機、摩擦納米發電機、光伏電池、熱釋電發電機、自驅動腕表、生物燃料電池和耳蝸內電位收集器(見圖 1)。其中，壓電納米發電機、摩擦納米發電機和自驅動腕表，都可將機械能轉化為電能。利用生物體內葡萄糖的生物燃料電池和利用耳蝸內電位的蝸內電位收集器，均可用來給電子醫療器件供電。光伏電池雖然不能直接在體內獲取生物能源，但可以從周圍環境中收集光能來為植入式器件供電。熱釋電發電機通過將低梯度恒溫的熱能轉化為電能，可以驅動醫療電子器件。

2.1 壓電式納米發電機 (PENG)

壓電材料是受到壓力作用時會在兩端面間出現電位差的晶體材料，它能夠實現機械能和電能的相互轉換。以氧化鋅(ZnO)為例。氧化鋅具有非中心對稱性的纖鋅礦結構，當施加外力時，材料表面會產生正負電荷面，稱之為極性面。這些極性面產生的壓電勢可用于驅動外部電路中電子的移動，實現機械能向電能的轉化。利用壓電材料的能量轉化特性，王中林教授于 2006 年首次研發出 PENG[35]。迄今為止，用于 IEHs 的壓電材料主要包括氧化鋅、鋯鈦酸鉛、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-三氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride-Trifluoroethylene，PVDF-TrFE)和鈦酸鋇。

將無機壓電材料的壓電效應和肖特基[35]觸點在界面處的門控效應結合，PENG 可作為“充電泵”驅動電子運動，進而在外電路中產生交流電。2010 年，Li 等[6]提出一種基于氧化鋅的PENG，并將其植入活鼠體內獲取呼吸和心跳產生的能量(圖 2(a))，這是將生物機械能轉化為電能的首次成功嘗試。其中，植入膈腹側時的開路電壓和短路電流分別為 1 mV 和 1 pA，緊貼心臟表面時分別為 3 mV 和 30 pA。為了提高無機壓電器件的輸出性能，Kim 等[36]于 2017 年制備了一種基于 PMN-PZT(Lead Zirconatetitanate)的高性能植入式壓電能源收集器件。該器件可獲得豬心跳產生的 17.8 V 的開路電壓和 1.74 μA 的短路電流。此外，該 IEHs 也被用于制備自供能無線通信系統(圖 2(b))。為了增加壓電器件的應用場景，Dong 等[37]于 2019 年設計了一種利用心臟能量為起搏器供能的自驅動電子器件(圖 2(c))。該柔性器件緊密包裹在起搏導線上，可以實現能量的有效采集和利用，進而為生物體能量的有效收集提供了又一新思路。

有機壓電材料(如 PVDF、PVDF-TrFE 等)制備的 PENG 也被廣泛用于收集生物機械能，如血管搏動產生的能量。2015 年，Zhang 等[7]提出一種基于 PVDF 薄膜的柔性植入式 PENG(圖 2(d))。他們將該器件包裹在豬的升主動脈周圍，獲取到血管搏動的機械能。在血壓為160/105 mmHg 和心率為 120 bpm 時，開路電壓和短路電流分別為 1.5 V 和 300 nA。實驗結果表明，包裹升主動脈的緊密性明顯影響輸出，而優化包裹張力是 PENG 獲得高輸出的關鍵。為了真正實現自供能器件的可植入性，Cheng 等[38]展示了一種由壓電薄膜制備的自供能 IEHs，并將該薄膜植入約克夏豬升主動脈周圍用于收集血管搏動能量(圖 2(e))。研究人員也將該器件用于測量血壓，體內最大瞬時功率為 40 nW。

圖2 基于壓電式納米發電機的自驅動植入式能源收集器件Fig.2 Self-powered IEHs based on pizoelectric nanogenerator

此外，PENG 也可以用于收集腿部運動產生的能量。2017 年，Wang 等[39]利用靜電紡絲技術制備了 PVDF-TrFE 納米纖維支架，并用來獲取腿部運動的機械能(圖 2(f))。該系統皮下植入在大鼠腿部，可獲得 6 mV 的開路電壓和 6 nA的短路電流。此外，該系統還可應用于組織工程和骨再生等方面。

2.2 摩擦納米發電機(TENG)

TENG 由 Fan 等[9]于 2012 年首次提出，目前該領域已取得許多重要進展。TENG 工作原理是基于摩擦起電和靜電感應協同作用：當兩種不同的材料接觸時，在接觸面產生相反電荷；此后界面分離，產生電位差。附著在表面上的兩個電極通過負載連接，自由電子從一個電極流向另一個電極，從而產生一個相反的電位來平衡感應靜電場。由于兩個摩擦層不斷地接觸和分離，在外電路中產生交變電流，因此實現了將外部機械能轉化為電能。

2014 年，Zheng 等[11]首次證明了植入式納米發電機(Implanted Triboelectric Nanogenerator，iTENG)的可行性(圖 3(a))。該器件由聚酰亞胺、聚對苯二甲酸乙二醇酯、鋁薄膜和聚二甲基硅氧烷制備而成。將 iTENG 置于左胸皮下或活鼠的膈肌與肝臟之間，可以獲得周期性呼吸產生的機械能。呼吸產生的開路電壓和短路電流分別為 3.73 V 和 0.14 μA，轉換后的電能可被儲存在電容器中以驅動原型起搏器。此后，他們又提出了一種生物可降解摩擦納米發電機(Biodegradable Implanted Triboelectric Nanogenerator，BD-iTENG)用于收集體內生物機械能(圖 3(b))[34]。當將 BD-iTENG 皮下植入到大鼠背部時，該器件能以 3 V 的輸出電壓工作24 h 以上，并在 72 h 內基本完全溶解。

圖3 基于摩擦納米發電機的自驅動植入式能源收集器件Fig.3 Self-powered IEHs based on triboelectric nanogenerator

2019 年，基于人體運動過程中摩擦帶電現象，Shi 等[40]設計了一種整合自供能系統(圖 3(c))：通過機體運動，植入體內的電極可收集機械能并將其轉換成電能。結果表明，機體整合自供能系統不僅是一個能源收集裝置，還可進行步態分析、人體活動識別和運動傳感。同年，Tian 等[41]提出了一種自供能的柔性植入式電刺激器件，它由一個 TENG 和一個柔性交叉電極組成(圖 3(d))。結果表明，該柔性植入式電刺激器件可顯著促進成骨細胞的附著、增殖和分化，這對電誘導骨重塑具有重要意義。

2.3 光伏電池(PVC)

太陽能是環境中豐富而清潔的能源，隨著科學的進步，人們對太陽能電池的研究也日漸成熟。部分研究人員將 IMEs 植入到大鼠、兔子和豬體內，并利用太陽能電池為其供電。

2004 年，Laube 等[12]制備了用于傳輸光能并為眼內微系統供電的光伏電池，證實了在兔子長效性視網膜修復時，可將光伏電池作為人工晶狀體一部分，如圖 4(a)所示。人工晶狀體由光伏電池和發光二極管(Light-Emitting Diode，LED)組成。當用 850 nm 的紅外光作為光源時，兩個光伏電池串聯可產生 2 V 的開路電壓，光電轉換效率可達到 40%。LED 可作為信號顯示能量傳輸是否成功。研究人員在兔子體內進行了植入試驗，證明微系統可持續工作 14 天到 7 個月以上。2016 年，Song 等[14]描述了基于光伏技術的超薄 IEHs，并將其與可充電電池和定制起搏器一起整合在柔性襯底上，如圖 4(b)所示。整個系統被植入到活體無毛小鼠體內，利用該系統，透過小鼠皮膚的光能可被轉換為電能并存儲在電池中，由電池再為起搏器供電。此后，他們又展示了一種柔性可植入光伏器件(圖 4(c))。研究人員將器件植入皮下，并對電學性能進行了研究。結果表明，根據皮膚的厚度和色調，皮下的器件可產生 0.51～9.05 mW·cm－2功率密度的能量。這對功能性醫用電子植入體的可持續電源設計具有重要的參考價值[42]。

圖4 基于光伏電池的自驅動植入式能源收集器件Fig.4 Self-powered IEHs based on photovoltaic cells

2.4 自驅動腕表(AW)

AW是一種以手腕運動為動力源的手表。當佩戴者移動時，手表中偏心擺動的重物使得彈簧彎曲，彈簧撥動齒輪轉動，進而驅動微型發電機在幾毫秒內產生電能，并為電容器或可充電電池等儲能設備充電。利用這種能量轉化機制，自驅動腕表可以獲取體內機械能(圖 5(a))。1999年，Goto 等[15]將基于石英表的自供能系統置于狗的右心室壁上。在約 200 次/分鐘的心跳速度下，該系統 30 min 內可收集到 80 mJ 心跳能，相當于每次心跳產生了約 13 μJ 的能量。2017年，Zurbuchen 等[16]對前期的質量不平衡振蕩發生器(Mass Imbalance Oscillation Generator，MIOG)進行了優化，通過去除不必要的部件減輕了器件的重量和體積。他們分別在豬的不同心外膜部位植入了 MIOG，觀察到植入部位對能量轉換率有顯著影響。這些 MIOG 還可連接電容器以儲存轉化來的能量，并為特定的心臟起搏器供電。

圖5 基于腕表和熱釋電發電機的自驅動植入式能源收集器件Fig.5 Self-powered IEHs based on automatic wristwatch and pyroelectric nanogenerator

2.5 熱釋電發電機 (PYENG)

熱釋電效應是可自發極化晶體的一種自然物理效應。它是一種晶體的極化強度隨溫度改變而表現出的電荷釋放現象，宏觀上是溫度的改變使在材料的兩端出現電壓或產生電流?；跓後岆娦陌l電機能將低梯度恒溫的熱能轉化為電能，可用于人類活動相關的熱能收集[18-19]。2015年，Liu 等[43]研究了 PVDF 的熱釋電特性及其在近紅外光輻照下的遠距離操縱性能，設計了一種由熱釋電發電機提供可調節電脈沖的無線植入裝置。該裝置可通過紅外輻射為起搏器供電或刺激生物神經(圖 5(b))。

2.6 生物燃料電池(BFC)

生物燃料電池是一種利用生物體內物質化學反應產生電能的能源收集器件，可分為兩類：微生物燃料電池(Microbial Fuel Cells)和酶燃料電池(Enzyme bioFuel Cells)[44-45]。其中，微生物燃料電池通常太大，不適合在體內應用；酶燃料電池在體內可以利用酶催化氧化葡萄糖，故常被用作植入式電子器件的電源。目前，研究人員已經證明在修飾電極上使用酶催化劑，可獲得活體動物體內葡萄糖和氧氣之間氧化還原反應產生的電能。該氧化還原過程可寫成如下：

圖6 植入式生物燃料電池Fig.6 Implantable biofuel cells

基于酶的 BFC 已經在植物(仙人掌[46]、葡萄[47]和橘子[48])，哺乳動物(大鼠[23,49-51]、兔子[47]和豬[52])，軟體動物(蝸牛[53]和蛤[22])，昆蟲(曼陀羅[54]和蟑螂[54-56])，龍蝦[21]等生物體上進行研究應用(圖 6)。

2010 年，Flexer 和 Mano[46]提出使用固定有氧化還原酶的電極植入到活的仙人掌莖中，并能對可見光做出實時動態響應。除了利用分子自組裝法、溶膠-凝膠法等方法固定酶電極，Cinquin 等[49]也提出了一種只涉及各種酶和氧化還原介質機械束縛過程的酶電極制備方法。所制備的功能性植入式葡萄糖 BFC 植入到自由活動大鼠的腹膜后間隙可以產生電能(圖 7(a))。為了擴大 BFC 的應用范圍，Schwefel等[54]于 2014 年首次將海藻糖/氧氣 BFC 植入蟑螂和飛蛾體內，該電池可為安裝在昆蟲背部的用于無線通信的振蕩器供能(圖 7(b))。在飛蛾活動時，BFC 可以產生 15.6 μW·cm－2的面積功率密度。這表明 BFC 具有構建自供能“機械”昆蟲的潛能。

2.7 蝸內電位(EP)

蝸內電位是存在于耳蝸內淋巴間隙的一種類似電勢的電化學梯度，是聲壓振動在聽神經處傳導為神經遞質信號的主要驅動力(圖 8(a))。Mercier等[25]展示了一種基于外淋巴和內淋巴之間 K＋離子轉移產生 EP 的植入式電源(圖 8(b))。他們將兩個電極片插入麻醉豚鼠耳蝸，電極軸與位于豚鼠體外的微電子芯片相連，結果表明豚鼠的蝸內電壓可以驅動芯片持續工作 5 h，相當于蝸內壓每 40～360 s 發射一次 2.4 GHz 無線電監測信號。

圖7 基于生物燃料電磁的自驅動能源收集器件Fig.7 Self-powered IEHs based on biofuel cell

圖8 利用蝸內電位的自供能植入式電子器件Fig.8 Self-powered IEHs based on endocochlear potential

3 應 用

3.1 傳感應用

IEHs 不僅可以作為電源，還可以作為傳感器，特別是有源傳感器。由于內臟運動產生的能量可被 IEHs 收集到，所以 IEHs 的輸出電壓、電流與許多生物醫學信號密切相關，如心電、心率、血壓、血流速度、呼吸頻率和相位等。

基于 iTENG，Zheng 等[10]研制了一種用于實時監測心臟活動的自供能無線傳輸系統(圖 9(a))。利用該系統，發電機收集到的信號可以無線傳輸給外部設備，并實時顯示心臟的部分信息。鑒于 iTENG 在體內輸出較高，且可以穩定工作，不僅可用于給 IMEs 供電，還可用于構建自供能無線醫療監測系統。Ma 等[28]提出了一種自供能植入式摩擦有源傳感器(Implantable Triboelectric Active Sensor，iTEAS)，并將其用于監測房顫、室性早搏等多種生理、病理征象(圖 9(b))。他們將 iTEAS 植入活體豬的心包內發現，輸出信號可反映心率和節律、血壓、血流速度、呼吸速率和呼吸周期等信息。因此，iTEAS 可作為實時診斷心臟疾病的輔助性器件，如房顫、室性早搏、慢性阻塞性肺病和哮喘。

圖9 植入式能源收集器件用作自驅動傳感器Fig.9 IEHs were applied as self-powered sensors

基于壓電效應的 IEHs 也可用于檢測生理信號。例如，基于鋯鈦酸鉛((1－x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-(x)Pb(Zr,Ti)O3，PMN-PZT)的可消化柔性壓電裝置能夠收集胃腸道內的機械能，并且可以感知胃腔的機械形變(圖 9(c))。作為胃腸傳感器，這種裝置可用于診斷和治療運動障礙，也可監測減肥時的食物攝入[57]。Liu 等[58]設計了一種小型、柔性、自供能的心內壓傳感器 (Endocardial Pressure Sensor)(圖 9(d))。將該傳感器植入到豬的左心室和左心房中，在高、低壓環境下均具有良好的響應性能和機械穩定性。此外，心內壓傳感器還可以檢測室性顫動和室性早搏等心律失常癥狀。該裝置推進了微型植入式醫療傳感器用于心血管疾病監測和診斷的進程。

3.2 治療應用

植入式自供能器件可以收集機械能并能將其轉化成電能，因此 iTENG 有望成為 IMEs 的可持續電源——提供電刺激或給電子器件供電。

Jiang 等[59]用甲殼素、纖維素、絲素纖維、米紙和蛋清 5 種天然材料制備了 BD-iTENG，(圖 10(a))。它們分別可以產生 8～55 V 的開路電壓和 0.08～0.6 μA 的短路電流。BD-iTENG 作為電源，加速了功能障礙心肌細胞簇的搏動，改善了細胞收縮的一致性，為治療心動過緩、心律失常等心臟疾病提供了一種新方案。Li 等[60]制備了一系列具有半球陣列結構的 BD-iTENG(圖 10(b))。同時，他們利用金納米棒對近紅外光敏感這一特性，有效地調控了發電機在體內的降解過程。此外，將發電機的體內輸出施加在成纖維細胞上，加快了細胞在劃痕處的遷移速度，促進了成纖維細胞的增殖，這對傷口愈合過程非常有利。該工作證明了 iTENG 用于促進組織修復的可行性。

2019 年，Ouyang 等[61]制備了一種基于 iTENG的全可植入共生起搏器，它可以在大型動物上實現能源收集、存儲以及心臟起搏(圖 10(c))。這種共生起搏器成功地糾正了竇性心律失常，防止了病情惡化。該植入式共生生物電子器件有望在疾病的治療和診斷領域得到應用。同年，Zhao 等[62]利用新型永磁摩擦納米發電機(Magnet Triboelectric Nanogenerator)成功建立了一種用于腫瘤治療的納米藥物傳遞系統(Drug Delivery System)，如圖 10(d)所示。該研究采用阿霉素負載紅細胞作為抗腫瘤藥物系統。其中，阿霉素的釋放量在發電機電刺激下顯著增加，結束刺激后釋放量恢復正常，從而建立了可控藥物傳遞系統。研究表明，該新型永磁摩擦納米發電機控制的藥物傳遞系統在腫瘤治療中具有顯著的治療效果，在臨床中具有廣闊的應用前景。

4 總結與展望

納米技術與生物醫療系統的快速協同發展，正在引領醫療領域的新一輪革命。其中，自驅動生物醫療系統的發展依賴于微型芯片功耗的不斷降低以及 IEHs 工作效率的持續提升。目前，研究工作者已對 IEHs 進行了深入研究，并且已在一些動物、植物等活體模型上進行了實驗。除了用于能源收集，IEHs 還可作為自供能傳感器用于監測生理體征，包括心電圖、心率、血壓、血流速度、呼吸頻率和相位；也可用于監測一些病理狀況，如房顫、室性早搏和高血壓等。此外，IEHs 也能作為電刺激源，用于刺激脊髓、心臟和大腦等器官，進而治療慢性疼痛、心率異常和帕金森綜合征等疾病。

圖10 植入式能源收集器件用于疾病治療Fig.10 IEHs were applied for treatment of disease

目前，IEHs 所面臨的主要挑戰是柔性部件的集成化以及系統的小型化。因此，在保證對能源收集器件有足夠能量供應的同時降低它的重量和體積，對于能源收集器件植入體內至關重要。IEHs 需要具有較高的輸出及穩定性，而有效的電源管理可以大大提高 IEHs 能源轉換效率，進而提高它的輸出性能。此外，為了進一步發掘IEHs 在醫療領域的潛力，需要對器件的柔性、靈敏度、彈性、拉伸性能、穩定性和生物相容性等多個關鍵性能進行革新。隨著材料科學、電子工程和微加工技術的發展，科研工作者可以利用柔性集成電路技術制備具有高能量轉換效率、高輸出及超薄柔性結構的 IEHs。另外，生物安全性也是植入式裝置最重要的標準之一，包括器件的生物相容性、植入手術安全性和長期耐用性，這些性能保證了器件真正應用于臨床?，F階段依舊迫切需要對 IEHs 的性能及其實際應用和商用潛力進行定性和定量評價。其中，合適的標準化評價對于設計 IEHs 具有重要意義。隨著植入式能源收集器件的不斷優化和發展，該類器件將被廣泛用于生物醫療領域，包括心血管傳感、脈搏監測、神經電刺激、細胞電刺激、藥物遞送等，可對未來醫療健康產業產生重要影響。