Nanoenergy and Biosystem Lab
Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems, Chinese Academy of Sciences

【科匠学术】纳米能源所-李舟团队︱ACS Nano综述:植入式能量收集器件及自驱动电子医疗设备

原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s/DSBHL91kyypR0HC_Z8-1hA

一、研究背景:

植入式电子医疗设备(IME),例如心脏起搏器,脊髓刺激器和深层脑刺激器等,已被用于诊断,预防和治疗多种疾病。IME不仅能有效提高患者生活质量而且能延长患者的寿命,现已成为医疗器械领域研发的热点。然而,目前为止大多数IME供能模块的容量和寿命有限,当电量不足时需重新手术进行更换,这不仅需要支付昂贵的医疗费用并且还要承担一定的手术风险。为了延长IME的使用寿命,研究人员投入了巨大的热情和精力。

关于收集人体活动和生理环境能量的研究一直得到广泛的关注。研究人员已经证明植入式能量收集器件可以在体内将其他形式的能量转换为电能,并且以此维持设备的运行,实现IME的自驱动化。基于此研究人员开发了各种植入式自驱动电子医疗设备的原型机,例如共生型心脏起搏器、自供电生理传感器等。

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二、文章简介:

近日,中科院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员的科研团队从工作原理、输出特性、应用场景和长期体内表现等方面,总结了植入式能量收集器件(IEH)和自驱动植入式电子医疗设备(SIME)的研究现状。相关成果以“EmergingImplantable Energy Harvesters and Self-Powered Implantable Medical Electronics”为题发表在ACS Nano。此外,对SIME的不同原型进行了分类和讨论。最后,展望了IEH和SIME未来可能的研究重点和发展趋势。本文通讯作者为中科院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员,第一作者为博士生蒋东杰和北京航空航天大学的石波璟特聘副研究员。

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图1. 已实现动物实验的IEH和SIME的重要研究。


三、文章内容:

1、植入式能量收集器件

1.纳米发电机

纳米发电机(NG)可以将机械能转化为电能,主要包括压电纳米发电机(PENG)和摩擦纳米发电机(TENG)。近来,各种NG已被植入生物体中以收集能量、感测或刺激神经和肌肉。

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图2. 压电纳米发电机(PENG)的结构及工作原理示意图。


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图3. 摩擦纳米发电机(TENG)的结构及工作原理示意图。


2. 机械腕表类和电磁发电机

机械腕表是一种十分耐用且常见的设备,在日常使用中可以从手腕运动中获取能量。机械腕表的主要部件是机械传动系统和电磁发电机(EMG)。机械传动系统中的偏心摆锤可以将物体的水平运动转换为旋转运动,将机械能持续储存到发条弹簧中。当达到机械能的阈值时,弹簧将驱动EMG产生电脉冲。

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图4. 基于机械腕表的IEH的结构示意图。


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图5. 植入心脏腔室以从血流中收集能量的电磁发电机。



3. 经皮能量收集装置

可植入超声设备和太阳能电池可以通过经皮传输方法从体外动力源获取能量。

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图6. 基于超声传输和太阳能电池的经皮能量收集装置。



4. 酶促生物燃料电池

体内葡萄糖的氧化还原反应包含大量可用能量。酶促生物燃料电池(EBFC)可以将体内的化学能转化为电能,为植入式医疗电子设备提供能量。

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图7. EBFC示意图,以及植入的EBFC在昆虫、软体动物、海洋甲壳类动物和哺乳动物中的输出典型值范围。


2、自驱动植入式电子医疗器件

IEH是SIME的基础。在过去的几十年中,IEH得到了迅猛的发展,其基本性能已经可以满足大多数IME的功率要求。在IEH的支持下,越来越多的IME逐渐发展为自驱动模式,以突破电池使用寿命的限制。本文对SIME的不同原型机进行了分类和讨论。

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图8. 用于心血管系统的SIME。


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图9. 用于体内刺激和能量收集的IEH和SIME。


四、总结与展望:

从生物和周围环境中收集能量为IME供能具有广泛的现实意义。IEH和SIME的广泛应用将极大地改善我们未来的日常生活。这篇综述从工作原理,输出特性,应用场景以及长期体内表现等方面总结了植入式能量收集器件的发展。此外,通过评估基于IEH的SIME体内治疗功能,对不同原型进行分类和讨论,并展望了IEH和SIME的潜在挑战和前景。本综述可能会为植入式能量收集器件(IEH)以及植入式自驱动电子医疗设备(SIME)的发展提供一些有借鉴意义的参考。


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图10.展望SIME的未来发展趋势。

五、致谢:

感谢科技部国家重点研发计划(2016YFA0202703、2016YFC1102202),国家自然科学基金(61875015、11421202、81971770和21801019),博士后创新人才支持计划(BX20190026),博士后科学基金资助项目(2019M660410),北京自然科学基金(7204275),111计划(B13003)和国家青年人才支持计划对本项目的资助。




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