长效供电技术有望解决植入式医疗器件的供电问题

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近日，中国人民大学化学系王亚培教授研究团队在植入式医疗器械无线供电领域取得重要研究进展，相关研究成果以“Skin Thermal Management for Subcutaneous Photoelectric Conversion Reaching 500 mW”为题发表在国际著名学术期刊Advanced Materials上。

心脏起搏器、脑神经刺激器等植入式医疗器件可以极大地改善患者的症状和生活质量，具有重要的意义。但是，这类器件往往难以实现长时间的电能供给，一旦电池能量耗尽，就可能变为无用的“电子废物”，使得病人不得不再次面对二次手术带来的巨大风险和经济负担以更换电池。近期，中国人民大学化学系王亚培教授研究团队基于交叉学科研究背景，开发了一系列基于二区近红外光的长效供电技术，有望彻底解决植入式医疗器件的长期供电问题。

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基于二区近红外光-热-电能量转换策略的植入式医疗器件无线供电技术

现有的经皮有线供电技术是一项可以持续提供高功率密度电力的解决方案，但长时间使用经皮供电易引发感染，甚至危及患者生命。相比之下，将能够穿透皮肤屏障的电磁波转换为电能的无线充电技术具有更为优异的生物安全性，具备为植入式医疗器件电池长期供电的潜力。波长位于1000-1350 nm的二区近红外光，具有较高的组织穿透深度和最大组织暴露功率密度。对于同一皮下植入器件，二区近红外光的理论最大充电能量甚至是其他电磁波的数十倍。

基于上述研究背景，研究团队提出基于二区近红外光-热-电能量转换策略实现植入式医疗器件无线供电技术。在光照时，该器件可以先通过高光热转换效率和低热辐射率的选择性吸收涂层将光能转换为热能，再通过热电转换将热能转换为电能。同时，热防护层的存在可以保证这一过程不会对生物组织造成热损伤。在此基础上，研究团队借助仿真软件，通过热管理结构设计、器件内部对流换热和辐射换热调控以及引入改性相变储热材料等方法，进一步提高器件整体的能量转换效率。与无防护措施的光热-热电器件相比，该方法将热损耗降低了70%，将能量转换效率提高超过20倍。更进一步的生物实验表明，通过外界光照可以令植入兔子腹腔内的器件产生超高输出功率（10 毫瓦），这足以驱动心脏起搏器或内窥镜等植入式医疗器件正常工作，与现有的技术方案相比具有显著优势。

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基于皮肤热管理的光热电-光电协同转换策略提升植入式医疗器件能量利用效率

在前期的研究基础上，研究团队进一步提出了基于皮肤热管理的光热电-光电协同转换策略。通过将光-热-电能量转换器件与光电转换器件结合起来，并设计多级热管理结构，减少光伏电池产生的热量与生物组织之间的热交换，并将这部分能量通过热电器件导出、转换并储存在蓄热材料中。这种设计思路在确保生物安全性的前提下，一方面降低了光伏电池的热衰竭损耗，提升了光电转换效率；另一方面，也能将多余的热量转化为电能，通过热电器件实现能量的有效利用。这两者相互促进，实现了能量的协同转换，从而显著提升了器件对近红外二区光的能量利用效率。

通过动物实验和临床试验，这一设备的极限能量输出功率被证实可达500毫瓦，最大能量转换效率达到9.4%，足以直接驱动摄像头或心脏起搏器等设备。进一步的细胞染色实验和动物实验结果表明，该设备对生物组织没有造成损害。这项成果为植入式医疗器件的未来发展提供了有力的支持。

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兔子体内供电测试

相关背景

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以上工作均得到了国家自然科学基金委员会和中国人民大学理工学科建设处的资助，成果分别刊登在国际顶级学术期刊Nature Communications和Advanced Materials上。两篇文章的第一作者为中国人民大学化学系硕士毕业生吕善知，通讯作者为王亚培教授，中国人民大学为第一通讯单位。详见Adv. Mater. 2023, 2306903；Nat. Commun. 2022, 13, 6596。