德国研发生物超级电容可为血管内传感系统持续供能

微型传感技术、微型机器人以及血管内植入物的小型化正在迅速发展，同时，这也为该领域的研究提出了重大挑战。其中最大的挑战之一，是开发与之匹配的高效微型储能装置，支持这些自主工作的微系统能够在人体内等越来越狭小的空间中稳定运行。另一方面，如果要在人体内应用，这些微型储能装置还必须具有生物相容性。现在，科学家们开发出了一款结合这些基本特性的产品原型。

据麦姆斯咨询报道，开姆尼茨理工大学(Chemnitz University of Technology)纳米电子材料系统教授、开姆尼茨理工大学纳米膜材料、结构和集成中心(MAIN)发起人Oliver G. Schmidt博士领导的一支国际研究团队取得了重要突破。德累斯顿莱布尼茨聚合物研究所(IPF)也作为合作伙伴参与了这项研究。

由90个管状纳米生物超级电容器(NBSC)组成的阵列，可以使血液中的微型传感器实现自供能运行

这项研究成果已发布于最新一期的Nature Communication期刊，研究人员报道了迄今为止最小的微型超级电容器，它可以在(人造)血管中为微型传感器系统提供能源，测量血液的pH值。

这种储能系统可以为生物医学下一代血管内植入物和微型机器人提供能源，使它们可以在人体深处难以触及的微小空间中工作。例如，血液pH值被认为和肿瘤活动有关，利用血管内微型传感器可以实时检测血液pH值，有助于预测早期肿瘤的生长。

研究小组负责人Oliver G. Schmidt教授对这项研究的成功感到非常兴奋，他表示：“看到我们开发的极为灵活、适应性强的新型生物超级电容器如何帮助微型传感系统进入生物体内世界，非常令人鼓舞。”

Schmidt教授团队成员、MAIN研究中心助理研究员Vineth Kumar博士说：“针对微型传感器、微型植入物和微型机器人领域的最大挑战，我们的纳米生物超级电容器架构首次提供了一种有潜力的解决方案——微型集成储能器件，它能够使多功能微系统实现自供能运行。”

比灰尘还小，电压却可与AAA电池媲美

此前，用于微电子元件的亚毫米级或更小的储能器件——所谓的“纳米超级电容器”，不仅面临巨大的技术挑战，另一方面，这些超级电容器没有采用生物相容性材料，而是使用腐蚀性电解质，在出现问题或污染时会快速自行放电。这些问题使它们不适合体内的生物医学应用。

在这项研究中，研究人员开发了一种所谓的“生物超级电容器(BSC)”解决方案。它们有两个突出的特性：一是完全具有生物相容性，这意味着它们可以用于血液等体液环境，用于进一步的医学研究;此外，这种生物超级电容器可以通过生物电化学反应补偿自放电行为。如此，它们甚至可以从人体自身的反应中获益。这是因为，除了超级电容器的典型电荷储存反应外，血液中自然存在的氧化还原酶反应和活细胞使生物超级电容器的性能提高了40%。

此前，类似储能装置最小的都大于3平方毫米。Oliver G. Schmidt教授团队现在已经成功制造出体积缩小3000倍的管状纳米生物超级电容器，其体积仅为0.001平方毫米，比一粒灰尘还要小，但是却可以为微电子传感器提供高达1.6 V的电源电压。这种能量已经可以用于血液中的微型传感器系统。

其功率水平大致相当于标准AAA电池的电压，当然，这种微型尺度上电容器的实际电流相对要低得多。为了防止因血液脉动或肌肉收缩引起的变形，这种纳米生物超级电容器采用了柔性管状形状，可以提供有效的自我保护。在满容量下，这种纳米生物超级电容器可以为一个复杂的全集成传感器系统供能，以测量血液中的pH值。

得益于一种折纸技术的灵感，实现了柔性、坚固和微型化等优势

利用一种古老的日本折纸结构技术，将纳米生物超级电容器所需要的材料放置在高机械张力的超薄表面上。当材料层随后以一种受控的方式从表面分离时，应变能被释放，材料层自身卷绕成高精度且高良率(95%)的紧凑型3D结构。

研究人员将用这种方法制造的纳米生物超级电容器在盐水、血浆和血液三种电解质溶液中进行了测试。在所有三种电解质中，尽管效率各不相同，储能效果都非常成功。在血液中，这种纳米生物超级电容器表现出了卓越的使用寿命，即使在16小时后仍能保持其初始容量的70%。在实验中，研究人员利用质子交换分离器(PES)抑制纳米生物超级电容器的快速自放电。

即使在真实应用环境中，性能也保持稳定

为了在各种情况下保持身体的自然功能，人体血液的流动特性和血管中的压力一直在不断变化。血液的脉动会根据血管直径和血压而变化。因此，血液循环系统内的植入式系统必须能够承受这些生理条件变化，同时确保稳定的性能。

因此，研究人员分别在直径为120~150 µm的微流控通道中(模拟不同大小的血管)，模拟并测试了纳米生物超级电容器在不同流量和压力条件下的性能表现。他们发现，这些纳米生物超级电容器能够在各种条件下提供良好且稳定的储能性能。

利用自供能传感器实现肿瘤诊断等应用

血液中的pH值会发生波动，持续测量pH值有助于早期发现肿瘤。为此，研究人员开发了一种由纳米生物超级电容器提供能量的pH传感器。Oliver Schmidt教授研究团队之前开发的5 µm薄膜晶体管(TFT)技术可用于开发具有特殊机械柔性、在低功率(nW~µW)和高频(高达100 MHz)下工作的环形振荡器。

基于纳米生物超级电容器的“瑞士卷”能量存储和传感系统，展示了所有活性组分，中空结构用于血液的流动

对于当前的研究项目，团队使用了基于纳米生物超级电容器的环形振荡器。该团队将对pH值敏感的纳米生物超级电容器集成到环形振荡器中，以根据电解液的pH值改变输出频率。这种对pH值敏感的环形振荡器，利用“瑞士卷”折纸技术形成管状3D几何结构，构建了一种完全集成且超紧凑的能量存储和传感系统。

这种微传感器系统的中空结构充当血流通道。此外，与传感器串联的三个纳米生物超级电容器可实现高效的自供能pH测量。这些特性提供了广泛的潜在应用，例如癌症的早期诊断和治疗监测等。