植入式电池可以依靠人体自身的氧气运行

从起搏器到神经刺激器，植入式医疗设备依靠电池来保持心脏跳动并减轻疼痛。但电池最终会耗尽，需要进行侵入性手术来更换。

为了应对这些挑战，中国的研究人员设计了一种依靠体内氧气运行的植入式电池。这项研究于3月27日发表在《化学》杂志上，表明在老鼠身上，概念验证设计可以提供稳定的电力，并且与生物系统兼容。

“仔细想想，氧气是我们生命的源泉，”通讯作者、天津工业大学能源材料与器件专家刘西正说。“如果我们能够利用体内氧气的持续供应，电池寿命将不会受到传统电池中有限材料的限制。”

为了制造安全高效的电池，研究人员用钠基合金和纳米多孔金制成电极，纳米多孔金的孔隙比头发丝的宽度小数千倍。黄金因其与生命系统的相容性而闻名，而钠是人体内必不可少且普遍存在的元素。电极与体内的氧气发生化学反应以产生电力。为了保护电池，研究人员将其包裹在柔软且有弹性的多孔聚合物薄膜内。

然后研究人员将电池植入老鼠背部的皮下并测量其电力输出。两周后，他们发现该电池可以产生1.3V至1.4V之间的稳定电压，最大功率密度为2.6µW/cm2。尽管输出不足以为医疗设备提供动力，但该设计表明利用体内的氧气获取能量是可能的。

研究小组还评估了电池周围的炎症反应、代谢变化和组织再生。大鼠没有表现出明显的炎症。电池化学反应的副产物，包括钠离子、氢氧根离子和少量的过氧化氢，很容易被人体代谢，不会影响肾脏和肝脏。老鼠在植入后愈合良好，四个星期后背部的毛发完全重新长出来。令研究人员惊讶的是，电池周围的血管也再生了。

“我们对植入后不稳定的电力输出感到困惑，”刘说。“事实证明，我们必须给伤口时间愈合，让电池周围的血管再生并供应氧气，然后电池才能提供稳定的电力。这是一个令人惊讶且有趣的发现，因为这意味着电池可以帮助监测伤口愈合。”

接下来，该团队计划通过探索更高效的电极材料并优化电池结构和设计来提高电池的能量输送。刘还指出，该电池易于规模化生产，选择具有成本效益的材料可以进一步降低价格。除了为医疗设备供电之外，该团队的电池还可能有其他用途。

“由于肿瘤细胞对氧气水平敏感，在其周围植入这种耗氧电池可能有助于饿死癌症。也可以将电池能量转化为热量来杀死癌细胞，”刘说。“从新能源到潜在的生物疗法，这种电池的前景令人兴奋。”