李 舟 李 喆 劉儒平

1(中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所 北京 100083)

2(中國(guó)科學(xué)院大學(xué)納米科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 北京 100083)

3(北京印刷學(xué)院印刷包裝工程學(xué)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(nèi)的大多數(shù)植入式醫(yī)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(huì)引起環(huán)境污染，而且還會(huì)增加患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)和精神負(fù)擔(dān)。另外，電池也占據(jù)植入式電子器件大部分的重量和體積。因此，近年來(lái)，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(jī)械能、熱能或化學(xué)能的電子器件。它能夠?qū)⑹占降哪芰哭D(zhuǎn)化為電能。現(xiàn)有的能源收集器件主要有壓電式納米發(fā)電機(jī)(Pizoelectric Nanogenerator，PENG)、摩擦納米發(fā)電機(jī)(Triboelectric Nanogenerator，TENG)、光伏電池(Photovoltaic Cells，PVC)、自驅(qū)動(dòng)腕表(Automatic Wristwatch，AW)、熱釋電發(fā)電機(jī)(Pyroelectric Nanogenerator，PYENG)、生物燃料電池(Biofuel Cell，BFC)和耳蝸內(nèi)電位(Endocochlear Potential，EP)收集器等。人體運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能和體內(nèi)的化學(xué)能，如心跳、呼吸、血液循環(huán)和葡萄糖的氧化還原等，都具有轉(zhuǎn)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(chǎn)生大量機(jī)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(chǎn)生的機(jī)械能收集起來(lái)，并用于驅(qū)動(dòng)心臟起搏器，那么上述電池續(xù)航不足的問(wèn)題將可得到解決。除了心臟跳動(dòng)產(chǎn)生的能量以外，肺的運(yùn)動(dòng)以及升主動(dòng)脈的收縮/舒張變形也可作為生物的體內(nèi)能量來(lái)源。近年來(lái)，壓電式納米發(fā)電機(jī)和摩擦納米發(fā)電機(jī)已被廣泛應(yīng)用于收集大鼠、牛、豬等動(dòng)物的心跳和呼吸運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能[6-11]。除此之外，光伏電池[12-14]、自驅(qū)動(dòng)腕表[15-17]及熱釋電發(fā)電機(jī)[18-19]等器件也被用作 IEHs。由于生物燃料電池(BFC)可以將體內(nèi)化學(xué)能轉(zhuǎn)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(shí)際應(yīng)用。研究顯示，因?yàn)槭艿窖鯕夂蜕锶剂系难趸€原電位限制，大多數(shù) BFC 的輸出電壓只有 0.5 V，而 IEHs 的持續(xù)穩(wěn)定工作大多需要 2～3 V 的電壓驅(qū)動(dòng)，所以BFC 不能被廣泛用于為 IMEs 供電[20]。目前，已經(jīng)可以通過(guò)一些方法提高 BFC 的輸出電壓，如將幾個(gè)電池串聯(lián)[21-22]，或?qū)㈦娔艽鎯?chǔ)在電容器等介質(zhì)中以釋放高壓短脈沖[23-24]。耳蝸內(nèi)電位是在耳蝸內(nèi)淋巴間隙產(chǎn)生的另一種體內(nèi)生物化學(xué)能，已經(jīng)被證明可以作為植入式電子器件的能量來(lái)源[25-27]。

除了用于收集能量外，IEHs 還可以用于生物醫(yī)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(jiān)測(cè)心率和呼吸頻率，也可以用來(lái)檢測(cè)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(jiān)測(cè)豬的心臟活動(dòng)。此外，基于壓電和摩擦納米發(fā)電機(jī)的能源收集器件可用于為細(xì)胞、組織或器官提供電刺激，因此，IEHs 在促進(jìn)干細(xì)胞神經(jīng)分化、促進(jìn)神經(jīng)元組織再生和刺激心臟跳動(dòng)等領(lǐng)域也具有潛在的應(yīng)用價(jià)值[29-34]。

為了實(shí)現(xiàn)生物體能量的有效收集并解決IMEs 的能源供給問(wèn)題，本文對(duì)近年來(lái)的 IEHs 進(jìn)行分類和總結(jié)。具體地，主要討論了 IEHs 的種類、代表性應(yīng)用及現(xiàn)存的挑戰(zhàn)，并對(duì)其未來(lái)的應(yīng)用進(jìn)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(nèi)的能源收集器件可以分為 7類：壓電納米發(fā)電機(jī)、摩擦納米發(fā)電機(jī)、光伏電池、熱釋電發(fā)電機(jī)、自驅(qū)動(dòng)腕表、生物燃料電池和耳蝸內(nèi)電位收集器(見(jiàn)圖 1)。其中，壓電納米發(fā)電機(jī)、摩擦納米發(fā)電機(jī)和自驅(qū)動(dòng)腕表，都可將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。利用生物體內(nèi)葡萄糖的生物燃料電池和利用耳蝸內(nèi)電位的蝸內(nèi)電位收集器，均可用來(lái)給電子醫(yī)療器件供電。光伏電池雖然不能直接在體內(nèi)獲取生物能源，但可以從周圍環(huán)境中收集光能來(lái)為植入式器件供電。熱釋電發(fā)電機(jī)通過(guò)將低梯度恒溫的熱能轉(zhuǎn)化為電能，可以驅(qū)動(dòng)醫(yī)療電子器件。

2.1 壓電式納米發(fā)電機(jī) (PENG)

壓電材料是受到壓力作用時(shí)會(huì)在兩端面間出現(xiàn)電位差的晶體材料，它能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械能和電能的相互轉(zhuǎn)換。以氧化鋅(ZnO)為例。氧化鋅具有非中心對(duì)稱性的纖鋅礦結(jié)構(gòu)，當(dāng)施加外力時(shí)，材料表面會(huì)產(chǎn)生正負(fù)電荷面，稱之為極性面。這些極性面產(chǎn)生的壓電勢(shì)可用于驅(qū)動(dòng)外部電路中電子的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化。利用壓電材料的能量轉(zhuǎn)化特性，王中林教授于 2006 年首次研發(fā)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(wú)機(jī)壓電材料的壓電效應(yīng)和肖特基[35]觸點(diǎn)在界面處的門控效應(yīng)結(jié)合，PENG 可作為“充電泵”驅(qū)動(dòng)電子運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而在外電路中產(chǎn)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(nèi)獲取呼吸和心跳產(chǎn)生的能量(圖 2(a))，這是將生物機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的首次成功嘗試。其中，植入膈腹側(cè)時(shí)的開(kāi)路電壓和短路電流分別為 1 mV 和 1 pA，緊貼心臟表面時(shí)分別為 3 mV 和 30 pA。為了提高無(wú)機(jī)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(chǎn)生的 17.8 V 的開(kāi)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(wú)線通信系統(tǒng)(圖 2(b))。為了增加壓電器件的應(yīng)用場(chǎng)景，Dong 等[37]于 2019 年設(shè)計(jì)了一種利用心臟能量為起搏器供能的自驅(qū)動(dòng)電子器件(圖 2(c))。該柔性器件緊密包裹在起搏導(dǎo)線上，可以實(shí)現(xiàn)能量的有效采集和利用，進(jìn)而為生物體能量的有效收集提供了又一新思路。

有機(jī)壓電材料(如 PVDF、PVDF-TrFE 等)制備的 PENG 也被廣泛用于收集生物機(jī)械能，如血管搏動(dòng)產(chǎn)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(dòng)脈周圍，獲取到血管搏動(dòng)的機(jī)械能。在血壓為160/105 mmHg 和心率為 120 bpm 時(shí)，開(kāi)路電壓和短路電流分別為 1.5 V 和 300 nA。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，包裹升主動(dòng)脈的緊密性明顯影響輸出，而優(yōu)化包裹張力是 PENG 獲得高輸出的關(guān)鍵。為了真正實(shí)現(xiàn)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(dòng)脈周圍用于收集血管搏動(dòng)能量(圖 2(e))。研究人員也將該器件用于測(cè)量血壓，體內(nèi)最大瞬時(shí)功率為 40 nW。

圖2 基于壓電式納米發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量。2017 年，Wang 等[39]利用靜電紡絲技術(shù)制備了 PVDF-TrFE 納米纖維支架，并用來(lái)獲取腿部運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能(圖 2(f))。該系統(tǒng)皮下植入在大鼠腿部，可獲得 6 mV 的開(kāi)路電壓和 6 nA的短路電流。此外，該系統(tǒng)還可應(yīng)用于組織工程和骨再生等方面。

2.2 摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)

TENG 由 Fan 等[9]于 2012 年首次提出，目前該領(lǐng)域已取得許多重要進(jìn)展。TENG 工作原理是基于摩擦起電和靜電感應(yīng)協(xié)同作用：當(dāng)兩種不同的材料接觸時(shí)，在接觸面產(chǎn)生相反電荷；此后界面分離，產(chǎn)生電位差。附著在表面上的兩個(gè)電極通過(guò)負(fù)載連接，自由電子從一個(gè)電極流向另一個(gè)電極，從而產(chǎn)生一個(gè)相反的電位來(lái)平衡感應(yīng)靜電場(chǎng)。由于兩個(gè)摩擦層不斷地接觸和分離，在外電路中產(chǎn)生交變電流，因此實(shí)現(xiàn)了將外部機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

2014 年，Zheng 等[11]首次證明了植入式納米發(fā)電機(jī)(Implanted Triboelectric Nanogenerator，iTENG)的可行性(圖 3(a))。該器件由聚酰亞胺、聚對(duì)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(chǎn)生的機(jī)械能。呼吸產(chǎn)生的開(kāi)路電壓和短路電流分別為 3.73 V 和 0.14 μA，轉(zhuǎn)換后的電能可被儲(chǔ)存在電容器中以驅(qū)動(dòng)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(fā)電機(jī)(Biodegradable Implanted Triboelectric Nanogenerator，BD-iTENG)用于收集體內(nèi)生物機(jī)械能(圖 3(b))[34]。當(dāng)將 BD-iTENG 皮下植入到大鼠背部時(shí)，該器件能以 3 V 的輸出電壓工作24 h 以上，并在 72 h 內(nèi)基本完全溶解。

圖3 基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的自驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)過(guò)程中摩擦帶電現(xiàn)象，Shi 等[40]設(shè)計(jì)了一種整合自供能系統(tǒng)(圖 3(c))：通過(guò)機(jī)體運(yùn)動(dòng)，植入體內(nèi)的電極可收集機(jī)械能并將其轉(zhuǎn)換成電能。結(jié)果表明，機(jī)體整合自供能系統(tǒng)不僅是一個(gè)能源收集裝置，還可進(jìn)行步態(tài)分析、人體活動(dòng)識(shí)別和運(yùn)動(dòng)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(gè) TENG 和一個(gè)柔性交叉電極組成(圖 3(d))。結(jié)果表明，該柔性植入式電刺激器件可顯著促進(jìn)成骨細(xì)胞的附著、增殖和分化，這對(duì)電誘導(dǎo)骨重塑具有重要意義。

2.3 光伏電池(PVC)

太陽(yáng)能是環(huán)境中豐富而清潔的能源，隨著科學(xué)的進(jìn)步，人們對(duì)太陽(yáng)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(nèi)，并利用太陽(yáng)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(nèi)微系統(tǒng)供電的光伏電池，證實(shí)了在兔子長(zhǎng)效性視網(wǎng)膜修復(fù)時(shí)，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(fā)光二極管(Light-Emitting Diode，LED)組成。當(dāng)用 850 nm 的紅外光作為光源時(shí)，兩個(gè)光伏電池串聯(lián)可產(chǎn)生 2 V 的開(kāi)路電壓，光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到 40%。LED 可作為信號(hào)顯示能量傳輸是否成功。研究人員在兔子體內(nèi)進(jìn)行了植入試驗(yàn)，證明微系統(tǒng)可持續(xù)工作 14 天到 7 個(gè)月以上。2016 年，Song 等[14]描述了基于光伏技術(shù)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(gè)系統(tǒng)被植入到活體無(wú)毛小鼠體內(nèi)，利用該系統(tǒng)，透過(guò)小鼠皮膚的光能可被轉(zhuǎn)換為電能并存儲(chǔ)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(duì)電學(xué)性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，根據(jù)皮膚的厚度和色調(diào)，皮下的器件可產(chǎn)生 0.51～9.05 mW·cm－2功率密度的能量。這對(duì)功能性醫(yī)用電子植入體的可持續(xù)電源設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值[42]。

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

2.4 自驅(qū)動(dòng)腕表(AW)

AW是一種以手腕運(yùn)動(dòng)為動(dòng)力源的手表。當(dāng)佩戴者移動(dòng)時(shí)，手表中偏心擺動(dòng)的重物使得彈簧彎曲，彈簧撥動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)微型發(fā)電機(jī)在幾毫秒內(nèi)產(chǎn)生電能，并為電容器或可充電電池等儲(chǔ)能設(shè)備充電。利用這種能量轉(zhuǎn)化機(jī)制，自驅(qū)動(dòng)腕表可以獲取體內(nèi)機(jī)械能(圖 5(a))。1999年，Goto 等[15]將基于石英表的自供能系統(tǒng)置于狗的右心室壁上。在約 200 次/分鐘的心跳速度下，該系統(tǒng) 30 min 內(nèi)可收集到 80 mJ 心跳能，相當(dāng)于每次心跳產(chǎn)生了約 13 μJ 的能量。2017年，Zurbuchen 等[16]對(duì)前期的質(zhì)量不平衡振蕩發(fā)生器(Mass Imbalance Oscillation Generator，MIOG)進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)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(duì)能量轉(zhuǎn)換率有顯著影響。這些 MIOG 還可連接電容器以儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化來(lái)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(fā)電機(jī)的自驅(qū)動(dòng)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(fā)電機(jī) (PYENG)

熱釋電效應(yīng)是可自發(fā)極化晶體的一種自然物理效應(yīng)。它是一種晶體的極化強(qiáng)度隨溫度改變而表現(xiàn)出的電荷釋放現(xiàn)象，宏觀上是溫度的改變使在材料的兩端出現(xiàn)電壓或產(chǎn)生電流?；跓後岆娦?yīng)的發(fā)電機(jī)能將低梯度恒溫的熱能轉(zhuǎn)化為電能，可用于人類活動(dòng)相關(guān)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(yuǎn)距離操縱性能，設(shè)計(jì)了一種由熱釋電發(fā)電機(jī)提供可調(diào)節(jié)電脈沖的無(wú)線植入裝置。該裝置可通過(guò)紅外輻射為起搏器供電或刺激生物神經(jīng)(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(nèi)物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)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(nèi)應(yīng)用；酶燃料電池在體內(nèi)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(jīng)證明在修飾電極上使用酶催化劑，可獲得活體動(dòng)物體內(nèi)葡萄糖和氧氣之間氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的電能。該氧化還原過(guò)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(jīng)在植物(仙人掌[46]、葡萄[47]和橘子[48])，哺乳動(dòng)物(大鼠[23,49-51]、兔子[47]和豬[52])，軟體動(dòng)物(蝸牛[53]和蛤[22])，昆蟲(chóng)(曼陀羅[54]和蟑螂[54-56])，龍蝦[21]等生物體上進(jìn)行研究應(yīng)用(圖 6)。

2010 年，F(xiàn)lexer 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(duì)可見(jiàn)光做出實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。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(zhì)機(jī)械束縛過(guò)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(dòng)大鼠的腹膜后間隙可以產(chǎn)生電能(圖 7(a))。為了擴(kuò)大 BFC 的應(yīng)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(nèi)，該電池可為安裝在昆蟲(chóng)背部的用于無(wú)線通信的振蕩器供能(圖 7(b))。在飛蛾活動(dòng)時(shí)，BFC 可以產(chǎn)生 15.6 μW·cm－2的面積功率密度。這表明 BFC 具有構(gòu)建自供能“機(jī)械”昆蟲(chóng)的潛能。

2.7 蝸內(nèi)電位(EP)

蝸內(nèi)電位是存在于耳蝸內(nèi)淋巴間隙的一種類似電勢(shì)的電化學(xué)梯度，是聲壓振動(dòng)在聽(tīng)神經(jīng)處傳導(dǎo)為神經(jīng)遞質(zhì)信號(hào)的主要驅(qū)動(dòng)力(圖 8(a))。Mercier等[25]展示了一種基于外淋巴和內(nèi)淋巴之間 K＋離子轉(zhuǎn)移產(chǎn)生 EP 的植入式電源(圖 8(b))。他們將兩個(gè)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(jié)果表明豚鼠的蝸內(nèi)電壓可以驅(qū)動(dòng)芯片持續(xù)工作 5 h，相當(dāng)于蝸內(nèi)壓每 40～360 s 發(fā)射一次 2.4 GHz 無(wú)線電監(jiān)測(cè)信號(hào)。

圖7 基于生物燃料電磁的自驅(qū)動(dòng)能源收集器件Fig.7 Self-powered IEHs based on biofuel cell

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

3 應(yīng) 用

3.1 傳感應(yīng)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(nèi)臟運(yùn)動(dòng)產(chǎn)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(yī)學(xué)信號(hào)密切相關(guān)，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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心臟活動(dòng)的自供能無(wú)線傳輸系統(tǒng)(圖 9(a))。利用該系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)收集到的信號(hào)可以無(wú)線傳輸給外部設(shè)備，并實(shí)時(shí)顯示心臟的部分信息。鑒于 iTENG 在體內(nèi)輸出較高，且可以穩(wěn)定工作，不僅可用于給 IMEs 供電，還可用于構(gòu)建自供能無(wú)線醫(yī)療監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。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(jiān)測(cè)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(nèi)發(fā)現(xiàn)，輸出信號(hào)可反映心率和節(jié)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(shí)時(shí)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(qū)動(dòng)傳感器Fig.9 IEHs were applied as self-powered sensors

基于壓電效應(yīng)的 IEHs 也可用于檢測(cè)生理信號(hào)。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(nèi)的機(jī)械能，并且可以感知胃腔的機(jī)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(yùn)動(dòng)障礙，也可監(jiān)測(cè)減肥時(shí)的食物攝入[57]。Liu 等[58]設(shè)計(jì)了一種小型、柔性、自供能的心內(nèi)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(huán)境下均具有良好的響應(yīng)性能和機(jī)械穩(wěn)定性。此外，心內(nèi)壓傳感器還可以檢測(cè)室性顫動(dòng)和室性早搏等心律失常癥狀。該裝置推進(jìn)了微型植入式醫(yī)療傳感器用于心血管疾病監(jiān)測(cè)和診斷的進(jìn)程。

3.2 治療應(yīng)用

植入式自供能器件可以收集機(jī)械能并能將其轉(zhuǎn)化成電能，因此 iTENG 有望成為 IMEs 的可持續(xù)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(chǎn)生 8～55 V 的開(kāi)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(xì)胞簇的搏動(dòng)，改善了細(xì)胞收縮的一致性，為治療心動(dòng)過(guò)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(jié)構(gòu)的 BD-iTENG(圖 10(b))。同時(shí)，他們利用金納米棒對(duì)近紅外光敏感這一特性，有效地調(diào)控了發(fā)電機(jī)在體內(nèi)的降解過(guò)程。此外，將發(fā)電機(jī)的體內(nèi)輸出施加在成纖維細(xì)胞上，加快了細(xì)胞在劃痕處的遷移速度，促進(jìn)了成纖維細(xì)胞的增殖，這對(duì)傷口愈合過(guò)程非常有利。該工作證明了 iTENG 用于促進(jìn)組織修復(fù)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(dòng)物上實(shí)現(xiàn)能源收集、存儲(chǔ)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(lǐng)域得到應(yīng)用。同年，Zhao 等[62]利用新型永磁摩擦納米發(fā)電機(jī)(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(tǒng)(Drug Delivery System)，如圖 10(d)所示。該研究采用阿霉素負(fù)載紅細(xì)胞作為抗腫瘤藥物系統(tǒng)。其中，阿霉素的釋放量在發(fā)電機(jī)電刺激下顯著增加，結(jié)束刺激后釋放量恢復(fù)正常，從而建立了可控藥物傳遞系統(tǒng)。研究表明，該新型永磁摩擦納米發(fā)電機(jī)控制的藥物傳遞系統(tǒng)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(yīng)用前景。

4 總結(jié)與展望

納米技術(shù)與生物醫(yī)療系統(tǒng)的快速協(xié)同發(fā)展，正在引領(lǐng)醫(yī)療領(lǐng)域的新一輪革命。其中，自驅(qū)動(dòng)生物醫(yī)療系統(tǒng)的發(fā)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(xù)提升。目前，研究工作者已對(duì) IEHs 進(jìn)行了深入研究，并且已在一些動(dòng)物、植物等活體模型上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。除了用于能源收集，IEHs 還可作為自供能傳感器用于監(jiān)測(cè)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(jiān)測(cè)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(jìn)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(zhàn)是柔性部件的集成化以及系統(tǒng)的小型化。因此，在保證對(duì)能源收集器件有足夠能量供應(yīng)的同時(shí)降低它的重量和體積，對(duì)于能源收集器件植入體內(nèi)至關(guān)重要。IEHs 需要具有較高的輸出及穩(wěn)定性，而有效的電源管理可以大大提高 IEHs 能源轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而提高它的輸出性能。此外，為了進(jìn)一步發(fā)掘IEHs 在醫(yī)療領(lǐng)域的潛力，需要對(duì)器件的柔性、靈敏度、彈性、拉伸性能、穩(wěn)定性和生物相容性等多個(gè)關(guān)鍵性能進(jìn)行革新。隨著材料科學(xué)、電子工程和微加工技術(shù)的發(fā)展，科研工作者可以利用柔性集成電路技術(shù)制備具有高能量轉(zhuǎn)換效率、高輸出及超薄柔性結(jié)構(gòu)的 IEHs。另外，生物安全性也是植入式裝置最重要的標(biāo)準(zhǔn)之一，包括器件的生物相容性、植入手術(shù)安全性和長(zhǎng)期耐用性，這些性能保證了器件真正應(yīng)用于臨床?，F(xiàn)階段依舊迫切需要對(duì) IEHs 的性能及其實(shí)際應(yīng)用和商用潛力進(jìn)行定性和定量評(píng)價(jià)。其中，合適的標(biāo)準(zhǔn)化評(píng)價(jià)對(duì)于設(shè)計(jì) IEHs 具有重要意義。隨著植入式能源收集器件的不斷優(yōu)化和發(fā)展，該類器件將被廣泛用于生物醫(yī)療領(lǐng)域，包括心血管傳感、脈搏監(jiān)測(cè)、神經(jīng)電刺激、細(xì)胞電刺激、藥物遞送等，可對(duì)未來(lái)醫(yī)療健康產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生重要影響。