体内植入设备电源问题解决!靠胃酸驱动的微型电池问世
2017-02-08 09:28:55   来源:中国科技网
内容摘要
医生们常用植入式医疗设备进行生命体征监测或递送药物,这些设备通常由微型电池驱动,但传统电池会自放电,存在安全风险。为解决这一问题,研究人员开发出靠胃酸驱动的新型电池。

    美国科学家开发出一种依靠胃酸驱动的伏打电池,该电池设计灵感源于柠檬电池。新型电源更安全廉价,有望成为目前体内传感器或药物输送设备所用电池的替代品。

    这一设计是由麻省理工学院和布莱根妇女医院的研究人员联合完成的,可产生足够电力供微型传感器或药物输送设备运行。

    在新设计中,研究人员将锌和铜制电极放置在微型商用温度传感器表面,锌会释放离子到胃液中,利用胃酸驱动电路,产生足够的能源驱动传感器和一个900兆赫的发射机。

    研究人员在猪身上进行的试验显示,传感器平均要用6天才会通过猪的消化系统。在胃部时,电池可提供足够的能量驱动传感器,并每隔12秒发射一次无线信号,将数据传送至2米外的基站;一旦设备进入小肠,电池提供的能量会大幅减少,但仍可在相当长的一段时间内驱动设备并传递信息,只不过传递频率会降低。

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    目前,该设备原型是一个直径12毫米、高40毫米的圆柱体。研究人员认为,通过定制集成电路,将能量采集器、发射机和微型处理器集成,可使设备体积缩小三分之二。一旦小型化成功,他们将开发其他类型的传感器和应用程序。

    研究人员还指出,对于植入式医疗设备来说,能源的管理、转换、存储和利用始终是挑战。新研究提供了新思路,使他们意识到可利用人体自身资源开发出完全自我维持的系统。将来人们或仅靠一个自供电的“药丸”就可进行持续数周的生命体征监测,相关数据会传送到自己的手机上。

    此外,新设备还可用于递送药物。研究人员靠此设备成功释放了封装在金薄膜中的药物。


能被食用的3D打印电池 成分来自墨鱼和食物酱

  近年来3D打印技术在医疗模型和医疗装置方面的应用越来越广泛,据美国截肢者联盟(Amputee Coalition)2015年的数据显示,美国约有220万人在使用3D打印的假肢;另外随着医疗装置“3D生物打印机”的诞生与发展,3D打印人体活器官将成为移植器官的未来发展方向之一。

  现如今,来自美国卡内基·梅隆大学(Carnegie Mellon University)教授Christopher Bettinger带领的研究团队和澳大利亚的一位大学教授Panhuis更是结合3D打印技术,分别研制了一款能被人体吞食并且能被消化掉的微型电池,微型医疗设置的应用有望因此进一步得到拓宽。

  据彭博社报道,人们最早研制可吞食的医疗装置已经有40多年历史,主要是为了把能够监测人体状况以及各种健康参数的传感器送入人体,然后把相对精确的数据无线传输给医生,甚至能够实现药物的递送和治疗。但早期的可吞食的医疗装置或多或少对人体都有一定危害,主要原因包括其供电系统也就是电池中含有重金属成分,万一电离出氢氧化物,将会对人体器官产生极大的伤害。

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    Bettinger带领的研究团队研制的可食用电池被放置在3D打印的胶囊里,外表与我们平常吃的胶囊药片差不多,故取名为“胶囊电池”。胶囊电池的成分主要来自存在于人体皮肤、毛发和眼睛中的黑色素,黑色素的主要功能是用于吸收紫外线保护人体。

  黑色素最早应用于电池是在2009年,尼泊尔的一名学生米兰·卡尔基与同学一起研制出全球首个“太阳能发丝电池板”,首次尝试用头发替换太阳能板上的硅材料。这使得人们意识到头发中的黑色素能够绑定和解除绑定金属离子,与电池的功能一样。所以黑色素在被吞入人体后,能够与胃液中带有正负电荷的分子或原子发生化学反应,从而在医疗装置中产生电流。

  “我们所用的黑色素实际上就是墨鱼汁中同样的色素,如果你曾经吃过墨鱼汁面的话,你消化过的黑色素远远多于胶囊电池中的含量。”Christopher Bettinger 2015年在美国化学学会(ACS)第252次全国会议与博览会上说道。他称实验已经证明一个胶囊电池可以为一个额定功率5毫瓦的电子设备供电长达18个小时,完全足够用于给微型医疗传感器装置供电,还可以重复使用。

  除此之外,Christopher Bettinger领导的团队还在研制一种以果胶为主要原料的可食用电池,这种果胶主要被用于生产果酱和果冻。

  而Panhuis研制的电池原料则直接来自于一种食物——vegemite。据《每日邮报》报道,vegemite是一种风靡澳大利亚的食物酱,被当地华人称为“澳洲臭豆腐”,味道偏咸。除了自身携带的离子成分,它还含有一定的水分,所以不仅发电率高而且易于打印塑形。目前他们的实验证明,把3D打印的vegemite作为导电电路,连接在LED灯和电池之间。可以直接点亮LED灯。


可吞食电池:很安全 可为医疗设备供电

    近日美国卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)的研究人员研发出了一种可降解生物电池。可吞服“药丸”电池早已存在,但是这种新的微型电池没有有害成份,只有人体早已习惯的黑色素。

    据外媒报道,近日美国卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)的研究人员研发出了一种可降解生物电池。这种电池能被用来制造像药丸一样被人体吞咽的控释装置,并能够以“前所未有的”准确性和安全性为控释药物分配器或监控设备供电。

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    可吞服“药丸”电池早已存在,但是这种微型电池通常含有毒有害成份。由卡内基梅隆大学材料科学和生物医学工程副教授Christopher Bettinger带领的研究小组研发的电池则使用了人体早已习惯的黑色素。存在于人体皮肤、毛发和眼睛中的黑色素无毒环保。

    研究人员表示,黑色素能够吸收紫外线来与抑制人体内的游离基活动,同时能绑缚和解绑金属离子。在测试阶段,黑色素电池能为可吞食医疗装置持续供电20个小时。


可充电柔性微型锌电池 可穿戴设备新搭档

  加利福尼亚的一家创业公司正在开发一种柔性可充电电池,可在常用工业丝网印刷机上进行廉价印刷。位于加利福尼亚阿拉米达的Imprint Energy公司已在腕戴式设备上测试超薄锌聚合电池,希望能将这种电池出售给可佩戴电子产品、医疗产品、智能标签和环境传感器制造商。

  该公司的策略是保证在人体应用中电池的安全,同时,其小尺寸和柔性可以满足笨重的锂基电池不可能达到的设计要求。甚至在小格式中,这种电池也能为小功率无线通信传感器提供足够的电流,并将其与其他类型的薄电池区分开。

  该公司最近从凤凰城创投公司和AME云创投公司(雅虎联合创始人杨致远的风险投资基金)获得了600万美元的资金,从而进一步开发其拥有专利的化学产品,并进行电池的商业发布。前期投资者包括美国中央情报局支持的风险投资公司帕琉斯,以及陶氏化学公司。

  这种电池基于该公司联合创始人克莉丝汀·何(Christine Ho)在加州大学伯克利分校研究生阶段的研究,她与另一名研究人员在日本使用3D打印机制作出微型锌电池。

  大多数笔记本电脑和智能手机使用的电池都包含金属锂,由于其高度反应性,必须通过增加尺寸和体积的方法来进行保护。

  虽然金属锌的稳定性更高,但传统锌电池中的水基电解质导致锌形成树枝晶、分枝状结构,可从一个电极发展到另一个电极,造成短路。何开发了一种固体聚合物电解质,可避免此问题,并且还提高了稳定性,充电容量更大。

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    该公司的联合创始人及总裁布鲁克斯·金凯(Brooks Kincaid)表示,这种电池结合了薄膜锂电池和印刷电池的最佳特性。这种薄膜电池可以充电,但包含了反应性元件,容量有限,并且制造成本高昂。印刷电池不可充电,但制作成本低廉,通常使用金属锌,可提供更高容量。

  使用金属锌可为该公司提供生产优势。由于金属锌的环境稳定性,可以为公司省去制作对氧敏感的锂电池必需的防护设备。

  “当我们谈论限制新产品开发方面的事情时,这些天有两件事最让我睡不着觉,一是电池,二是产品展示”,新器件集团副总裁和英特尔公司智能设备创新团队总经理史蒂夫.福尔摩斯说。

  何表示,除了对柔性电池的需求,目前还没有制定标准来衡量其柔性,这对想要对不同的化学产品进行比较的顾客来说很沮丧。因此,该公司建立了自己的试验台,开始针对那些自称柔性的商业电池作为标尺来评估自己的电池。

  她表明,现有电池不到1000弯曲循环就出现灾难性故障,而Imprint Energy的电池却能保持稳定。

  Imprint还在参与电池在衣服上的应用。何表示,“这就像是眼睛一样,成为身体奇怪的一部分。”

  最近,该公司还开始研究由美国军方资助的一个项目,为监测士兵健康状况的传感器开发电池。其他潜在应用包括为跟踪食品和包装的传感器智能标签供电。

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