體內植入設備電源問題解決!靠胃酸驅動的微型電池問世
2017-02-08 09:28:55   來源:中國科技網
內容摘要
醫生們常用植入式醫療設備進行生命體征監測或遞送藥物,這些設備通常由微型電池驅動,但傳統電池會自放電,存在安全風險。為解決這一問題,研究人員開發出靠胃酸驅動的新型電池。

? ? 美國科學家開發出一種依靠胃酸驅動的伏打電池,該電池設計靈感源于檸檬電池。新型電源更安全廉價,有望成為目前體內傳感器或藥物輸送設備所用電池的替代品。

? ? 這一設計是由麻省理工學院和布萊根婦女醫院的研究人員聯合完成的,可產生足夠電力供微型傳感器或藥物輸送設備運行。

? ? 在新設計中,研究人員將鋅和銅制電極放置在微型商用溫度傳感器表面,鋅會釋放離子到胃液中,利用胃酸驅動電路,產生足夠的能源驅動傳感器和一個900兆赫的發射機。

? ? 研究人員在豬身上進行的試驗顯示,傳感器平均要用6天才會通過豬的消化系統。在胃部時,電池可提供足夠的能量驅動傳感器,并每隔12秒發射一次無線信號,將數據傳送至2米外的基站;一旦設備進入小腸,電池提供的能量會大幅減少,但仍可在相當長的一段時間內驅動設備并傳遞信息,只不過傳遞頻率會降低。

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? ? 目前,該設備原型是一個直徑12毫米、高40毫米的圓柱體。研究人員認為,通過定制集成電路,將能量采集器、發射機和微型處理器集成,可使設備體積縮小三分之二。一旦小型化成功,他們將開發其他類型的傳感器和應用程序。

? ? 研究人員還指出,對于植入式醫療設備來說,能源的管理、轉換、存儲和利用始終是挑戰。新研究提供了新思路,使他們意識到可利用人體自身資源開發出完全自我維持的系統。將來人們或僅靠一個自供電的“藥丸”就可進行持續數周的生命體征監測,相關數據會傳送到自己的手機上。

? ? 此外,新設備還可用于遞送藥物。研究人員靠此設備成功釋放了封裝在金薄膜中的藥物。


能被食用的3D打印電池 成分來自墨魚和食物醬

  近年來3D打印技術在醫療模型和醫療裝置方面的應用越來越廣泛,據美國截肢者聯盟(Amputee Coalition)2015年的數據顯示,美國約有220萬人在使用3D打印的假肢;另外隨著醫療裝置“3D生物打印機”的誕生與發展,3D打印人體活器官將成為移植器官的未來發展方向之一。

  現如今,來自美國卡內基·梅隆大學(Carnegie Mellon University)教授Christopher Bettinger帶領的研究團隊和澳大利亞的一位大學教授Panhuis更是結合3D打印技術,分別研制了一款能被人體吞食并且能被消化掉的微型電池,微型醫療設置的應用有望因此進一步得到拓寬。

  據彭博社報道,人們最早研制可吞食的醫療裝置已經有40多年歷史,主要是為了把能夠監測人體狀況以及各種健康參數的傳感器送入人體,然后把相對精確的數據無線傳輸給醫生,甚至能夠實現藥物的遞送和治療。但早期的可吞食的醫療裝置或多或少對人體都有一定危害,主要原因包括其供電系統也就是電池中含有重金屬成分,萬一電離出氫氧化物,將會對人體器官產生極大的傷害。

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? ? Bettinger帶領的研究團隊研制的可食用電池被放置在3D打印的膠囊里,外表與我們平常吃的膠囊藥片差不多,故取名為“膠囊電池”。膠囊電池的成分主要來自存在于人體皮膚、毛發和眼睛中的黑色素,黑色素的主要功能是用于吸收紫外線保護人體。

  黑色素最早應用于電池是在2009年,尼泊爾的一名學生米蘭·卡爾基與同學一起研制出全球首個“太陽能發絲電池板”,首次嘗試用頭發替換太陽能板上的硅材料。這使得人們意識到頭發中的黑色素能夠綁定和解除綁定金屬離子,與電池的功能一樣。所以黑色素在被吞入人體后,能夠與胃液中帶有正負電荷的分子或原子發生化學反應,從而在醫療裝置中產生電流。

  “我們所用的黑色素實際上就是墨魚汁中同樣的色素,如果你曾經吃過墨魚汁面的話,你消化過的黑色素遠遠多于膠囊電池中的含量。”Christopher Bettinger 2015年在美國化學學會(ACS)第252次全國會議與博覽會上說道。他稱實驗已經證明一個膠囊電池可以為一個額定功率5毫瓦的電子設備供電長達18個小時,完全足夠用于給微型醫療傳感器裝置供電,還可以重復使用。

  除此之外,Christopher Bettinger領導的團隊還在研制一種以果膠為主要原料的可食用電池,這種果膠主要被用于生產果醬和果凍。

  而Panhuis研制的電池原料則直接來自于一種食物——vegemite。據《每日郵報》報道,vegemite是一種風靡澳大利亞的食物醬,被當地華人稱為“澳洲臭豆腐”,味道偏咸。除了自身攜帶的離子成分,它還含有一定的水分,所以不僅發電率高而且易于打印塑形。目前他們的實驗證明,把3D打印的vegemite作為導電電路,連接在LED燈和電池之間。可以直接點亮LED燈。


可吞食電池:很安全 可為醫療設備供電

? ? 近日美國卡內基梅隆大學(Carnegie Mellon University)的研究人員研發出了一種可降解生物電池。可吞服“藥丸”電池早已存在,但是這種新的微型電池沒有有害成份,只有人體早已習慣的黑色素。

? ? 據外媒報道,近日美國卡內基梅隆大學(Carnegie Mellon University)的研究人員研發出了一種可降解生物電池。這種電池能被用來制造像藥丸一樣被人體吞咽的控釋裝置,并能夠以“前所未有的”準確性和安全性為控釋藥物分配器或監控設備供電。

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? ? 可吞服“藥丸”電池早已存在,但是這種微型電池通常含有毒有害成份。由卡內基梅隆大學材料科學和生物醫學工程副教授Christopher Bettinger帶領的研究小組研發的電池則使用了人體早已習慣的黑色素。存在于人體皮膚、毛發和眼睛中的黑色素無毒環保。

? ? 研究人員表示,黑色素能夠吸收紫外線來與抑制人體內的游離基活動,同時能綁縛和解綁金屬離子。在測試階段,黑色素電池能為可吞食醫療裝置持續供電20個小時。


可充電柔性微型鋅電池 可穿戴設備新搭檔

  加利福尼亞的一家創業公司正在開發一種柔性可充電電池,可在常用工業絲網印刷機上進行廉價印刷。位于加利福尼亞阿拉米達的Imprint Energy公司已在腕戴式設備上測試超薄鋅聚合電池,希望能將這種電池出售給可佩戴電子產品、醫療產品、智能標簽和環境傳感器制造商。

  該公司的策略是保證在人體應用中電池的安全,同時,其小尺寸和柔性可以滿足笨重的鋰基電池不可能達到的設計要求。甚至在小格式中,這種電池也能為小功率無線通信傳感器提供足夠的電流,并將其與其他類型的薄電池區分開。

  該公司最近從鳳凰城創投公司和AME云創投公司(雅虎聯合創始人楊致遠的風險投資基金)獲得了600萬美元的資金,從而進一步開發其擁有專利的化學產品,并進行電池的商業發布。前期投資者包括美國中央情報局支持的風險投資公司帕琉斯,以及陶氏化學公司。

  這種電池基于該公司聯合創始人克莉絲汀·何(Christine Ho)在加州大學伯克利分校研究生階段的研究,她與另一名研究人員在日本使用3D打印機制作出微型鋅電池。

  大多數筆記本電腦和智能手機使用的電池都包含金屬鋰,由于其高度反應性,必須通過增加尺寸和體積的方法來進行保護。

  雖然金屬鋅的穩定性更高,但傳統鋅電池中的水基電解質導致鋅形成樹枝晶、分枝狀結構,可從一個電極發展到另一個電極,造成短路。何開發了一種固體聚合物電解質,可避免此問題,并且還提高了穩定性,充電容量更大。

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? ? 該公司的聯合創始人及總裁布魯克斯·金凱(Brooks Kincaid)表示,這種電池結合了薄膜鋰電池和印刷電池的最佳特性。這種薄膜電池可以充電,但包含了反應性元件,容量有限,并且制造成本高昂。印刷電池不可充電,但制作成本低廉,通常使用金屬鋅,可提供更高容量。

  使用金屬鋅可為該公司提供生產優勢。由于金屬鋅的環境穩定性,可以為公司省去制作對氧敏感的鋰電池必需的防護設備。

  “當我們談論限制新產品開發方面的事情時,這些天有兩件事最讓我睡不著覺,一是電池,二是產品展示”,新器件集團副總裁和英特爾公司智能設備創新團隊總經理史蒂夫.福爾摩斯說。

  何表示,除了對柔性電池的需求,目前還沒有制定標準來衡量其柔性,這對想要對不同的化學產品進行比較的顧客來說很沮喪。因此,該公司建立了自己的試驗臺,開始針對那些自稱柔性的商業電池作為標尺來評估自己的電池。

  她表明,現有電池不到1000彎曲循環就出現災難性故障,而Imprint Energy的電池卻能保持穩定。

  Imprint還在參與電池在衣服上的應用。何表示,“這就像是眼睛一樣,成為身體奇怪的一部分。”

  最近,該公司還開始研究由美國軍方資助的一個項目,為監測士兵健康狀況的傳感器開發電池。其他潛在應用包括為跟蹤食品和包裝的傳感器智能標簽供電。

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