迄今为止 最小的生物超级电容器已经研制成功

据最新一期《自然通讯》杂志报道，由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制出迄今为止最小的生物超级电容器。这种生物相容的能量储存系统为下一代生物医学血管内植入物和微型机器人系统开辟了可能性。

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发展。然而，现有的亚毫米级储能设备，即所谓的“微型超级电容器”，由于存在腐蚀性电解液泄漏的风险，不适合在人体内进行生物医学应用。因此，开发微型、高效、生物相容的储能装置，驱动微系统在人体内可靠运行，是该研究领域面临的最大挑战之一。

德累斯顿莱布尼茨固态与材料研究所施密特教授领导的国际团队成功研制出首个符合上述特性的生物超级电容器。储能装置的体积只有0.001立方毫米，是之前最小储能装置的1/3000。然而，它仍然可以为血液中的微电子传感器提供高达1.6V的电源电压。此外，它具有完全的生物相容性，可用于人体医学研究，并可通过生物电化学反应补偿自放电行为。

研究和样品制备主要在化学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。利用折纸技术，科学家将生物超级电容器组件所需的材料在高机械张力下放置在晶圆表面，然后以可控的方式将材料层与表面分离。通过释放张力能量，将材料层缠绕成致密的三维构件，实现高精度、高成品率(95%)。

实验表明，该生物超级电容器在血液中具有优异的使用寿命，16小时后仍能保持其初始容量的70%。它还可以受益于人体自身的反应。血液中天然存在的氧化还原酶和活细胞可以将模块的性能提高40%。此外，科学家还利用微流体通道模拟各种大小的血管，测试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，在生理条件下，它们能很好地稳定工作。

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储能和传感器系统，该系统实时记录血液中的酸碱度，以帮助预测早期肿瘤。科学家已经将对酸碱度敏感的生物超级电容器集成到环形振荡器中，根据电解质的酸碱度改变输出频率。管状三维几何形状由“瑞士卷”折纸技术形成，三个与传感器串联的生物超级电容器实现了高效、自给自足的酸碱度测量。

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

在血管这样狭窄的区域，微型机器人系统或储能设备的一个必要条件是生物兼容的——只有安全可靠才能投入实际使用。本文的研究成果一举实现了三大突破：一是占用空间小于一粒灰尘；二是功率水平堪比AAA电池；第三，足够的生物相容性和有效的自我保护可以防止因血液脉动或肌肉收缩而导致的变形。这意味着这项技术将在医疗领域有广泛的应用前景，包括疾病诊断、药物输送，甚至帮助人们发现早期癌症。