綜述背景

隨著第五代移動通信技術和尖端芯片的廣泛使用，包括可穿戴和植入式電子設備在內的人體電子設備正在逐步發展。具體來說，可穿戴電子設備，包括人造皮膚、智能服裝和柔性手表，可以實現體溫、心率和環境監測，通過可穿戴能源中心為智能手機無線充電，以及其他功能。植入式電子設備可以進行一系列的醫療測量，如藥物輸送、組織和神經愈合，以及對目標組織的監測，如心臟、動脈、肌肉組織、皮下組織和神經系統。作為電子設備的核心部件，能源樞紐在維持電子設備的正常運行方面發揮著重要作用。電子產品在人體中從外到內的應用越來越深入，功能也越來越復雜，對能源樞紐提出了更苛刻的要求：絕對安全和高能量密度。作為一種電化學儲能系統，能夠有效地將化學能轉化為電能的電池在這方面具有獨特的優勢。不同于含有有機電解液的鋰離子電池的易泄漏、有毒性和易燃性，水系電池依靠水系電解液的穩定性和高生物相容性，正在成為這些電子設備的首選能源樞紐。特別是近年來，以水系鋅電池為首的水系電池的快速發展，使其在可穿戴和植入式電子設備中的應用達到頂峰。然而目前還缺乏對水系電池在人體電子設備中的最新發展和應用的全面總結。為此，在近期文獻的基礎上，該綜述從電極、電解液、封裝材料和電池配置等方面回顧和總結了與水系柔性和生物可降解植入式電池相關的研究?；谌梭w內外電子設備不同的能量供應和工作環境要求，該綜述重點總結了柔性電池優異的電化學和機械性能的耦合策略，以及植入式可降解電池的長期放電性能、生物相容性和可降解性的合理設計。旨在為開發高性能的人體電子能源樞紐提供新的研究思路。

圖1. 可穿戴電池和可植入電池供電的電子設備的應用場景和功能概述.

本文以題為“Aqueous Batteries forHuman Body Electronic Devices”在國際知名期刊ACS Energy Letter上發表。本文第一作者為中南大學湘雅醫院整形外科李晶晶博士，通訊作者為中南大學材料學院周江教授和中南大學湘雅三醫院整形外科陳志釗博士。

圖文導讀

圖2. 多功能柔性電極.

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圖3. 水凝膠電解液.

圖4. 纖維電池、堆疊電池和微型電池構造.

圖5. 可穿戴電池的實際應用.

圖6.人體每日金屬元素攝入上限量和電極儲能機理.

圖7.正極材料電化學性能、生物相容性和可降解性.

圖8.凝膠電解液生物相容性和可降解性.

圖9.封裝材料.

總結與展望

作為一種在人體內外使用的儲能裝置，水系電池在安全方面具有絕對的優勢，具有巨大的發展潛力。迄今為止，在協調水系可穿戴電池和可降解植入式電池的電化學性能和機械性能、可降解性和生物相容性方面已經取得了巨大的進展。然而，事實上，這些電池離實際應用還很遠，仍處于起步階段。對于可穿戴電池和可降解植入式電池的未來發展，該綜述提出以下觀點和展望：

(1)電極材料是水系電池的一個重要研究方向。目前，很少有水系電池的電極材料能夠兼具高比容量和高輸出電壓。其中，基于溶解沉積機制的MnO2正極被證明具有超過1100 Wh kg-1的能量密度，可以引入到可穿戴電池中。此外，S正極材料具有超高的理論容量，在解耦條件下甚至可以達到2000 Wh kg-1以上的能量密度，也是一種值得研究的電極材料。對于可降解的植入式金屬空氣電池，開發具有高ORR和HER催化活性的正極材料是一個可行的研究方向。在這些具有生物相容性的金屬基材料的基礎上，可以進一步進行元素摻雜，貴金屬的單原子化，或與碳基材料結合，以降低成本，提高催化活性，同時保證降解性和生物相容性。此外，考慮到一些正極材料的降解周期非常長，可以設計具有雙邊溶解機制的可降解電池，即正極和負極的活性材料在放電過程中一起轉化為離子，實現同步降解。此外，負極是決定生物可降解電池放電時間的關鍵因素。鎂和鋅金屬負極容易被電解液腐蝕，導致放電時間大大縮短。因此，負極的腐蝕保護勢在必行，可以從合金化和涂層保護入手，緩解負極的自放電問題。

(2)應該為可穿戴電池開發多功能的水凝膠電解液?？纱┐麟姵氐墓ぷ鳝h境復雜多變，需要水凝膠電解液能夠同時實現高機械性能、耐高低溫、高離子傳導性和電極保護，以保證電池的電化學性能穩定。因此，必須關注水凝膠各項性能的改善策略和機制，并嘗試結合多種改善策略，以達到協調的效果。對于可生物降解的植入式電池，準固體水凝膠電解液也值得進一步研究。首先，許多水凝膠來自于生物，本身具有良好的生物相容性和可降解性。其次，一些水凝膠對負極保護有積極作用，因為它們的凝膠骨架可以鎖定大部分水分子，防止水與負極接觸。同時，水凝膠電解液可以使電池配置更加緊湊，減少對封裝材料和技術的要求，可以適應更復雜的工作環境。此外，高離子傳導性也是水凝膠電解液提高電池性能的出路。

(3)封裝材料的選擇對可降解植入式電池極為關鍵。封裝材料是可降解電池與生物組織接觸的主體，有可能引起宿主的排斥。當封裝材料的彈性模量高于目標組織的耐受上限時，會引起組織撕裂和炎癥等一系列問題。因此，封裝材料的生物相容性是首要考慮因素。此外，封裝材料的降解時間應長于電池的放電時間，這可以通過增加封裝材料的厚度來調節。還應控制封裝材料的均勻降解性，以防止快速的局部降解，導致內部元件的暴露。

(4)對于可穿戴電池，需要建立多變量環境與可穿戴電池的電化學性能之間的關系。目前，缺乏對可穿戴電池在外力作用下的大量電化學測試。特別是各種機械作用，包括動態拉伸、動態扭轉、動態彎曲、動態折疊和動態沖擊，對不同溫度和濕度下的電化學性能的長期影響。對于植入式電池，迫切需要建立統一的標準來評估可降解植入式電池的生物相容性、可降解性和電化學性能。目前對生物可降解植入式電池的電化學性能的測試是在生物體外進行的，缺乏在生物體內實際操作的電化學數據。也缺乏對可降解植入電池的生物相容性和可降解性的體內驗證，包括具體的降解周期、周圍細胞的存活、目標組織的排斥、降解過程中對體液中微量元素的追蹤以及對宿主生命體征的監測。

(5)對于各種植入式醫療設備，特別是那些有長期能源供應需求和高功率消耗的設備，具有生物相容性、可生物降解和可充電的高性能能源樞紐是非?？扇〉?。介導氧化還原反應的生物衍生材料可以在體內進行充電，如黑色素色素、多巴胺和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，它們可以作為水系電池的正極材料。同時，調節封裝材料的結晶度和厚度，確保電池的降解時間大于服務時間。在此基礎上，可介入無線充電系統，實現植入電池的長期充電/放電以及最終的降解，避免二次手術。