纳米发电机赋能植入式医疗器件的创新与突破.docxVIP

纳米发电机赋能植入式医疗器件的创新与突破

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代医学领域，植入式医疗器件已经成为治疗众多疾病、维持人体生理功能的重要手段，在临床中占据着举足轻重的地位。以心脏起搏器为例，它能够为心脏功能异常的患者提供稳定的电刺激，确保心脏的正常跳动，极大地改善了患者的症状和生活质量，具有显著的社会价值和经济价值。

然而，作为新兴的医疗器械发展方向，植入式医疗器件仍然面临许多问题亟待突破，长效能源供给问题成为了限制其进一步发展和广泛应用的关键瓶颈。现阶段，绝大多数植入式器件主要依靠电池供电，而电池的能量存储容量有限，导致工作寿命受限。一旦电池电量耗尽，患者不得不再次接受手术来更换电池，这不仅让患者承受巨大的手术风险，还带来沉重的经济负担。对于一些需要长期依赖植入式医疗器件维持生命或健康的患者来说，频繁的电池更换手术是难以承受之重。例如，对于心脏起搏器的使用者，随着人类寿命的延长，当有源植入式医疗器械寿命超过十年时，就需要重新手术进行更换电池，更换电池频率比原来要高得多。尤其是高龄人群，更换电池不仅需要昂贵的医疗费用，还要承担手术风险，这些风险包括感染、血栓、血管或神经损伤、肺萎陷和心脏穿孔等。此外，传统电池的电解质往往具有毒性，为确保在人体内的安全性，通常需要采用特殊封装和保护措施，这不仅导致电池体积增大，无法原位植入，还需要经皮导线连接，从而增加了感染和设备故障的风险。

为了解决植入式医疗器件的能源困境，科研人员进行了广泛的探索和研究。其中，纳米发电机的出现为这一领域带来了新的曙光和变革性的意义。纳米发电机是一种能够将环境和人体内的机械能，如心跳、呼吸、脉搏等，转化为电能的新型装置。自2006年王中林教授首次成功研制出纳米发电机以来，该技术得到了飞速发展。纳米发电机具有诸多独特的优势，使其成为解决植入式医疗器件在体能源供给问题的极具潜力的关键技术。它能够将人体自身产生的生物机械能，这些原本被浪费的能量收集起来并转化为电能，为植入式医疗器件提供持续的能源供应，从而有望彻底解决电池供电带来的一系列问题。例如，植入式摩擦纳米发电机（iTENG）可将生物体内的心跳、呼吸肌运动等生物机械能转化为电能并驱动有源植入式医疗器件，可显著提高可植入式医疗器件的使用寿命。2014年植入式摩擦纳米发电机（iTENG）被应用于生物体内，并成功将运动产生的机械能转化为电能用于驱动下游器件，为发展可以替代或补偿电池的植入式长效能源提供了新的思路和契机。

纳米发电机在植入式医疗器件中的应用研究，还可能引发整个植入式医疗领域的技术革命，推动医疗设备向更加智能化、微型化、自驱动化的方向发展。基于纳米发电机构建的自驱动植入式医疗器件系统，不仅能够实现对人体生理参数的实时、连续监测，还可以根据监测数据自动调整治疗策略，实现精准医疗，为患者提供更加个性化、高效的医疗服务。

1.2国内外研究现状

纳米发电机在植入式医疗器件领域的研究是当前国际科研的前沿热点，国内外众多科研团队都在积极探索，取得了一系列令人瞩目的进展。

在国外，2011年，瑞士研究人员开发了微型涡轮机，理论上可以植入人类动脉当中，并通过血液流动进行发电。然而，该设备会产生致死性血凝块，因不安全所以无法在实际中运用。2016年，美国佐治亚理工学院的研究人员展示了一种基于纳米发电机的可穿戴设备，能够将人体运动产生的机械能转化为电能，为小型电子设备供电，虽然这并非直接应用于植入式医疗器件，但为纳米发电机在生物医学领域的能量收集应用提供了重要参考。2020年，韩国科研团队研发出一种新型的可植入式纳米发电机，该发电机利用人体内部的流体运动产生电能，在动物实验中表现出良好的性能，为植入式医疗器件的能源供给提供了新的思路。

国内在纳米发电机应用于植入式医疗器件的研究方面同样成果斐然。2014年，中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士团队首次将植入式摩擦纳米发电机（iTENG）应用于生物体内，成功将运动产生的机械能转化为电能用于驱动下游器件，开启了国内该领域研究的新篇章，为发展可以替代或补偿电池的植入式长效能源提供了新的思路和契机。随后在2016年，该团队与上海长海医院合作，研制了新型的可植入式的摩擦纳米发电机，并将其植入小型猪的心包间隙，成功将心跳产生的机械能转化为电能，体内输出电压达到12伏，输出电流达到5微安，分别较之前的工作提高3.5倍和25倍。同时，该工作还探索了植入式摩擦纳米发电机的体内长效稳定性，在植入长达72小时后，该器件仍然保持了输出特性，显示了其良好的工作稳定性，相关研究成果发表在《ACSNano》上。复旦大学的科研人员研制出一种基于碳纳米管纤维的轻型发电机，可以植入在静脉内部并从流动血液中产生电力，且在安全性上有一定保障，虽