迄今最小生物超级电容器研发成功 研究成果发表在《自然·通讯》

据最新一期《自然·通讯》杂志报道，德国著名物理学家奥利弗·施密特教授领导的国际团队成功研发出迄今为止最小的生物超级电容器，这种生物相容性储能系统为下一代生物医学的血管内植入物和微型机器人系统的应用开辟了可能性。

微电子传感器、微电子机器人或血管内植入物的小型化正在迅速推进。但此前已有的亚毫米范围内的能量存储设备，即所谓的“微型超级电容器”，由于腐蚀性的电解质存在泄漏的风险，不适合人体内的生物医学应用。因此，开发微型、高效，并且具有生物相容性的能量存储设备，用来驱动微型系统在人体内可靠运行，成为该研究领域最大的挑战之一。

德累斯顿莱布尼兹固态和材料研究所施密特教授领导的国际团队成功研发首个满足上述特性的生物超级电容器。该能量存储设备体积仅为0.001立方毫米，为此前最小能源存储设备的1/3000。但它仍然能够为血液中的微电子传感器提供高达1.6V的电源电压。此外，它还具有完全生物相容性，可用于人体医学研究，并且可以通过生物电化学反应补偿自放电行为。

该研究及样品制备主要在开姆尼茨工业大学纳米膜材料、结构和集成中心进行。德累斯顿莱布尼茨聚合物研究所也参与了这项研究。科学家们利用折纸技术，将生物超级电容器组件所需的材料置于晶圆表面上的高机械张力下，随后以受控方式将材料层从表面分离，通过张力能量的释放，材料层会缠绕成紧凑的3D组件，并实现高精度和高成品率(95%)。

实验表明，生物超级电容器在血液中显示出优异的使用寿命，16小时后仍能保持初始容量的70%。它还可以从人体自身的反应中受益，天然存在于血液中的氧化还原酶和活细胞能将组件的性能提高40%。此外，科学家们还利用微流体通道模拟各种尺寸的血管，测试了生物超级电容器在各种流量和压力条件下的行为，结果表明其可以在生理相关条件下良好且稳定地工作。

为了验证生物超级电容器的实际工作性能，研究团队创建了一个完全集成的超紧凑型能量存储和传感器系统，实时记录血液中的pH值以帮助预测早期肿瘤。科学家们将pH敏感的生物超级电容器集成到环形振荡器中，以便根据电解质的pH值改变输出频率。通过“瑞士卷”折纸技术形成管状3D几何形状，3个与传感器串联的生物超级电容器实现了特别高效和自给自足的pH测量。

施密特说，这种储能系统为下一代生物医学的血管内植入物和微型机器人系统在人体小空间中的运行开辟了可能性。

总编辑圈点

在诸如血管这样的窄小区域内，微型机器人系统或储能设备的一个必要条件，就是生物兼容——只有安全可靠，才能真正走入实用。本文中的研究成果一举实现了三大突破：其一，占用空间比一粒灰尘还要小;其二，功率水平堪比AAA电池;其三，足够的生物兼容性和有效的自我保护，能防止由脉动血液或肌肉收缩引起的变形。这意味着，该技术将在医疗领域拥有相当广泛的应用前景，包括疾病诊断、药物递送，甚至帮助人们发现早期癌症。