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

【能源学人】李舟团队MTE: 近25年的植入式能量收集器件和自驱动电子医疗器件的文献计量学分析

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【研究亮点】
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)跨越近25年的时间,分析了植入式能量收集器件(IEHs)以及植入式自驱动电子医疗设备(SIMEs)的发展趋势和研究重点。

2)通过文献计量学分析,得出并强调了具有代表性的IEHs和SIMEs。

3)讨论了当前IEHs和SIMEs研究面临的挑战和提供未来可能的解决方案。

【背景】

近几十年来,可以用来检测、预防和治疗诸多疾病的植入式电子医疗设备(IMEs)表现出越来越好的发展势头,例如:心脏起搏器、深部脑刺激器等。植入式电子医疗设备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,目前为止大多数的植入式电子医疗设备都依赖于电池供给能量。但由于电池的容量和寿命有限,当电量不足时患者需重新手术更换电池,这不仅需要支付昂贵的医疗费用并且需要承担一定的手术风险。因此寻找植入式电子医疗设备供电方式的替代品显得尤为重要。
   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,实现了植入式电子医疗设备的自驱动化。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、自供电生物传感器等。

【综述简介】

近日,中国科学院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员课题组和中国人民大学应用经济学院陈占明副教授通过文献计量学方法,科学准确的分析了五种植入式能量收集器件(包括植入式的纳米发电机、生物燃料电池、太阳能电池、内耳蜗电势器件和机械腕表类器件)以及植入式自驱动电子医疗设备的发展趋势和研究重点,讨论了当前研究面临的挑战和提供未来可能的解决方案。该工作可能为相关研究提供科学且直观的发展思路。该研究课题获得了包括国家自然科学基金、北京市自然科学基金及国家青年人才计划等在内多个项目支持。
   作者在Web of Science核心数据库中检索得到了近25年(1995-2019)内关于植入式能量收集器件(IEHs)以及植入式自驱动电子医疗设备(SIMEs)的出版物。基于文献计量学和可视化方法对其进行了的分析和总结。深入讨论了五种类型的IEHs和几种具有高度代表性SIMEs的发展趋势和研究重点。下面选取了几个代表性的总结:

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图1. 五种类型IEHs增长趋势的非线性拟合曲线分析

要点1. 由五种类型IEHs增长趋势的非线性拟合曲线可以得出结论:植入式纳米发电机相关的研究成果比其他四种IEHs增加的更快,其发展趋势接近于三次方曲线。2006年王中林院士首次提出了纳米发电机可以作为SIMEs的能量源,与植入式太阳能电池和生物燃料电池相比是一种相对较新但发展更快的植入式能量收集器件。在2016年至2019年12月期间,植入式纳米发电机的出版物数量已超过前几年的总和,这表明植入式纳米发电机作为SIMEs的能量源已得到广泛认可和关注


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要点2. 作者通过统计五类IEHs出版物的数量、影响因子和被引频次来估测相关研究领域的规模。由图可以直观的得到植入式纳米发电机、生物燃料电池、太阳能电池、机械腕表类器件和内耳蜗电势器件研究领域的规模(其中阴影部分为已实现动物实验的出版物的统计学数据)。


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图3. 五类IEHs相关出版物的引文和关键词共现图。

要点3. 基于文献计量学数据,使用VOSviewer软件创建引文和关键词共现图。五个不同颜色的簇大致表示不同的IEHs。由图可见,植入式纳米发电机和生物燃料电池是两个占比最大的领域。通过关键词共现分析,可得到相关领域的关注点。植入式纳米发电机的研究重点是“压电”、“摩擦电”、“纳米结构”、“在体”等。植入式生物燃料电池的研究重点是“葡萄糖”、“氧化酶”、“稳定性”、“组织”等。这些高频关键词为我们提供了研究人员关注的重点。

从以上分析结果可以得出:植入式纳米发电机在IEHs和SIMEs中扮演着重要的角色。自2006年王中林院士提出了纳米发电机的完整定义以来,其得到了广泛的关注并且迅速发展。因此作者对植入式纳米发电机领域的研究现状做了更为深入的分析。

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图4. 植入式纳米发电机相关出版物的地域之间合作关系。

要点4. 关于植入式纳米发电机的研究,最热门的地区是东亚和美国。出版物数量排名前三的机构分别是佐治亚理工学院、中国科学院和韩国先进科技学院。


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图5. 已实现动物实验的植入式纳米发电机出版物的引用关系。


要点5. 通过分析同一领域文献集内的引用关系可以快速定位该领域的重要文献。图5展示了已实现动物实验的植入式纳米发电机文献之间的引用关系(每个圆圈代表一篇文献,圆圈的大小代表被引次数的多少)。


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图6:总结IEHs的五个主要应用领域:与心脏起搏器,生物传感器,神经(脑)刺激设备,无线通信医疗系统和视网膜植入物结合。

要点6. 在过去的几十年中,关于IEHs和SIMEs的研究已经涉及到生物医学工程、能源科学、材料科学、电子技术等研究领域中。作者总结了代表性的SIMEs原型机并进行分类,大致可以分为五类(自驱动的心脏起搏器、生物传感器、神经(脑)刺激设备、无线通信医疗系统和视网膜植入物)。这些分析结果显示了IEHs和SIMEs有着极大的临床应用的潜力。

【小结】

通过文献计量学和可视化分析,作者为对IEHs和SIMEs相关领域感兴趣的研究人员提供了准确和直观的分析结果。同时,作者建议IEHs和SIMEs未来面临的挑战和研究重点主要包括以下三个方面:

1.    植入式器件的长期在体评价。

2.    通过微创手术植入。

3.    生物可降解/吸收器件的研究。

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图7:IEHs和SIMEs的回顾与展望。


     IEHs
和SIMEs的出现代表了未来用于人体集成(human-integrated)领域的植入式医疗电子设备的重大转变,这意味着这些设备可以从人体或周围环境中收集能量以延长其工作寿命,甚至可以实现“一次植入,终身工作”的目标。这项文献计量学研究可能会为植入式能量收集器件(IEHs)以及植入式自驱动电子医疗设备(SIMEs)的发展提供一些有借鉴意义的参考。


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