近年来，可穿戴与可植入电子器件因有望推动电子信息、生物医学和 AI 等多个领域的革命性发展而备受关注。然而，如何构建适应生物环境的高性能电池仍是领域内一项长期的挑战。
传统电池由于杨氏模量较高，与生物软组织力学性能不匹配，容易在软组织运动变形过程中造成组织创伤。同时，设计出具有生物安全的电池材料，实现电池在生物环境中长期稳定工作，也是迫切需要解决的问题。
尽管现有的商用锂离子电池已经在智能手机和电动汽车等领域广泛应用，但它们无法满足这些新型电子器件的需求。
南京大学副教授张晔的主要研究方向是功能高分子材料，她提出并实现了新型高分子储能电池。
一方面，可以承受复杂形变，并可通过纺织实现集成应用，满足可穿戴设备的应用要求；另一方面，力学性能与生物软组织相当，能够形成高度稳定的器件/生物组织界面，以满足植入式医疗器械的应用要求。
其中，聚合物化学电池使植入式医疗器械（如心脏起搏器）的使用寿命有望延长至 50 年，为降低当前电池每隔几年需要进行手术更换的风险提供了新的解决方案。
这种新型电池不仅提供了关键的能源供应，还具备特定的力学性能，以适应人体各部位（如皮肤、心脏或大脑）对柔韧性、安全性和在复杂生物环境下稳定工作的需求。
凭借开发一系列柔软聚合物化学电池，兼具高生物安全性和高能量密度，推动可穿戴设备和植入式医疗器械的应用落地，张晔成为 2023 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者之一。
构建兼具高生物安全性和高能量密度的新型电池
张晔的研究目标是开发新一代适应人体环境的能源和电子设备，研究与生物软组织相互作用的机制，从而发展出面向体内能源供给、生理信号监测、信息传输、闭环式治疗等多功能集成的生物电子系统。
博士阶段，张晔在复旦大学彭慧胜教授课题组从事纤维材料与电池的开发。 针对传统电池刚性大，容易在三维扭曲和大形变环境下发生性能衰减和失效等问题，在国际上率先提出并实现了一系列新型纤维锂离子电池、金属空气电池等储能器件。
与传统块状或平面器件相比，直径在微米尺度的纤维储能器件具有质量更轻、柔性更好、集成性更强等优势，可实现 360 度全角度弯曲、三维扭曲甚至拉伸等复杂形变，并可通过纺织方法将其集成为柔软、透气的织物。
张晔表示：“这种创新的纤维电池能够被编织进柔软、透气的织物中，让未来的智能服装在户外甚至极端环境下，也能随时随地为电子设备供电。”
据介绍，纤维电池技术的两项发明专利目前已经转让和转化，正在向产业化推进。
随着研究的深入，她发现这一类纤维电池具有与软组织相当的抗弯刚度，能够形成良好的器件/组织界面，有望应用在植入式医疗设备中。
为了深刻理解材料器件与细胞组织的相互作用机制，她来到美国哈佛大学医学院奥米德·法罗哈扎德（Omid Farokhzad）教授团队从事博士后工作，并系统地接受生物医学相关的专业培训。
2019 年 10 月，张晔加入南京大学并担任课题组组长，开始探索体内高性能电池。通过揭示聚合物化学电池与生物软组织相互作用的机制，设计和制备聚合物凝胶材料，构建出一系列新型柔软聚合物化学电池。
团队成员、南京大学博士生何儿以人体能源的来源——线粒体为启发进行探索。他们发现，线粒体作为细胞的能量工厂，具有独特的双层膜结构：内膜提供了稳定的反应环境，而外膜则具有良好的生物相容性和物质交换能力。
基于这一自然模型，张晔与何儿等成员将体液作为电解质，并以新型反应路径开发出新型生物电池体系，旨在为体内的电子器件提供稳定的能量供应[1]。
图丨线粒体激发电池的示意图和结构表征（来源：Advanced Materials）
这种电池的外层膜能够实现物质的高效交换，而内层膜则能够维持稳定的电化学反应空间，从而实现了与生物软组织相匹配的力学性能和优异的电化学性能，并且具有高度的生物安全性。值得关注的是，该电池的能量密度达到 2282Wh/kg。
美国阿贡国家实验室陆俊（现浙江大学讲席教授）评价称：“双层凝胶电解质有效地防止镁负极腐蚀和形成致密钝化层，所得到的镁空气电池能量密度是目前报道的最高值 [2]。”
其构建了与人体环境适应，体积可以薄至 0.015mm3，并且可以在不降低能量密度的情况下扩大到 400 倍。此外，它还能够使用不同的环境进行稳定放电，并显著减少了异物反应，为开发高性能植入式电池提出了有效的策略。
“该设计使得电池能够为体内的电子设备提供稳定的能源，并且具有迄今为止报道中最高的能量密度，这在体内植入式设备中是前所未有的。”张晔说。
图丨类组织柔软的全凝胶电池的示意图（来源：Advanced Materials）
与此同时，张晔和团队成员、南京大学博士生叶婷婷还提出了干法交联的普适性方法 [3]，制备出兼具良好弹性和高电学性能的聚合物凝胶电池，不仅拥有高电子电导性和高界面电荷转移效率，而且其柔软性与人体组织相似。
它在的比容量方面的表现优异，其中全水凝胶锂离子电池实现 82mAh·g-1，而在锌离子电池中的比容量表现则为 370mAh·g-1。
值得关注的是，全凝胶电池的杨氏模量为 80kPa，表明它能够与人体组织（例如皮肤和心脏）的力学特性相匹配。
通过合成具有高度生物相容性的电池材料，建立了稳定的器件/组织界面，从而实现良好的稳定性和高度的生物安全性，有望与具有检测、修复、通讯等功能器件高度集成 [4]。
推动技术在可穿戴设备和植入式医疗器械的应用落地
新型柔软聚合物化学电池与手机等领域中常见的刚性块状电池不同，它们可以被制造成柔软的薄膜，不仅能够贴合在任何不规则形状的表面上，例如神经导管的圆弧形状，还可以持续为其提供均匀的电场。
中南大学周江教授评述相关研究：“这种类似软组织的柔软电池，彻底消除了刚性组件，具有较好的物理生物相容性，是生物相容电池的首选 [5]。”
这一创新有望为体内电子设备提供更持久、更高效的能源解决方案，为开发新型电池铺平了道路。
此外，这些电池还可以设计成纤维状，通过多股缠绕实现传感、能源供应和信息传递等多种功能的集成，为医疗应用提供小巧而多功能的解决方案。
需要了解的是，现有的脑起搏器需要在患者锁骨下放置电池，并通过长引线连接，这不仅容易导致感染和断裂，其还是造成医疗设备失效的原因之一。
目前，该技术已经进入大动物实验阶段，并与临床医生展开合作，共同探索将新型柔软聚合物化学电池技术应用于心脏起搏器、脑起搏器以及体内传感器等医疗器械的可能性。
图丨基于聚合物化学电池的神经导管促进受损的长段坐骨神经再生的示意图（来源：Advanced Materials）
此外，这种电池技术还有望用于解决长段神经修复、皮肤损伤修复、骨组织和软骨组织修复等医学难题。
张晔解释说道：“柔软、安全且高能量密度的电池能够直接贴在医疗导管的内壁上，提供原位电刺激以促进神经修复，并能够减少了患者二次手术的所面临的风险和痛苦。”
美国北卡罗莱纳州立大学助理教授阿迈·J·班道卡（Amay J. Bandodkar）认为，基于电池的神经导管促进髓鞘碱性蛋白的合成和受损神经中有髓神经纤维的成熟，最终将加速坐骨神经的再生 [6]。
图丨张晔课题组（来源：张晔）
未来，张晔与团队成员将继续致力于开发可穿戴和可植入新一代电子设备，进一步提升其稳定性和与生物体的兼容性等。
他们计划发展具有优异性能的新型材料和多功能集成的生物器件。另一方面，目前张晔与课题组也在探索该技术与 AI 结合的可能性。
尽管 AI 在医学图像诊断方面已经展现出超越人类的准确率，但这还远远不够。他们的目标是利用高精度的生物器件收集海量数据，并结合 AI 的高效的分析能力，实现更精准的个性化健康管理。
张晔表示：“希望我们能够建立与医疗功能组件的高效集成方法，以解决现在医疗电子器件能源供给、疾病早期精准检测、诊断和个性化治疗等问题。并且，我们的技术也有可能在信息交互、国防等领域具有潜在应用价值。”
参考资料：
1.Er He, Junye Ren, Lie Wang, Fangyan Li, Luhe Li, Tingting Ye, Yiding Jiao, Dan Li, Jiacheng Wang, Yuanzhen Wang, Rui Gao, Ye Zhang, Mitochondrion-inspired magnesium-oxygen biobattery with high energy density in vivo, Advanced Materials 2023, 35, 2304141. https://doi.org/10.1002/adma.202304141
2.Tingzhen Li et al. Recent progress and future perspectives of flexible metal-air batteries. Smart Materials , 2021, 2, 519. https://doi.org/10.1002/smm2.1076
3. Luhe Li, Dan Li, Yuanzhen Wang, Tingting Ye, Er He, Yiding Jiao, Lie Wang, Fangyan Li, Yiran Li, Jianxun Ding, Kai Liu, Junye Ren, Qianming Li, Jianjian Ji, Ye Zhang, Implantable zinc-oxygen battery for in situ electrical stimulation-promoted neural regeneration,Advanced Materials 2023, 35, 2302997.
https://doi.org/10.1002/adma.202302997
4.Tingting Ye, Jiacheng Wang, Yiding Jiao, Luhe Li, Er He, Lie Wang, Yiran Li, Yanjing Yun, Dan Li, Jiang Lu, Hao Chen, Qianming Li, Fangyan Li, Rui Gao, Huisheng Peng, Ye Zhang. A Tissue-Like Soft All-Hydrogel Battery. Advanced Materials 2022,34, 210512.https://doi.org/10.1002/adma.202105120
5.Shize Lei, Zhexuan Liu,Cunxin Liu,Jingjing Li,Bingan Lu,Shuquan Liang and Jiang Zhou. Opportunities for biocompatible and safe zinc-based batteries. Energy & Environmental Science 2022, 15, 4911. https://doi.org/10.1039/D2EE02267 B
6.Nate T. Garland, Rajaram Kaveti, Amay J.Bandodkar. Biofluid-Activated Biofuel Cells, Batteries, and Supercapacitors: A Comprehensive Review. Advanced Materials 2023, 35, 2303197. https://doi.org/10.1002/adma.202303197
运营/排版：何晨龙、刘雅坤
02/
03/
04/
05/
热门跟贴