【作 者】房藝，侯文博，周文秀，張海軍,

1 生物醫(yī)用材料改性技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，德州市，251100

2 同濟(jì)大學(xué)醫(yī)學(xué)院介入血管研究所，上海市，200072

0 引言

隨著現(xiàn)代醫(yī)療的迅速發(fā)展，有源植入式醫(yī)療器械已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于治療各式的疾病。主要包括植入式心臟起搏器和除顫器、腦起搏器、脊髓刺激器、迷走神經(jīng)刺激器、骶神經(jīng)刺激器、膈神經(jīng)刺激器、藥物釋放裝置、骨骼生長刺激器、全人工心臟、人工耳蝸、藥物泵等[1]。從目前看，植入式醫(yī)療設(shè)備的市場前景非?？捎^，以植入式心臟起搏器為例，全世界每年有超過500 000個心臟起搏器被植入人體[2]，2015年我國植入醫(yī)療器械行業(yè)市場規(guī)模達(dá)到480億元[3]。然而對于有源植入式醫(yī)療器械而言，如何實現(xiàn)裝置的安全高效、長期穩(wěn)定的電能供給，是其發(fā)展道路上必須面對的關(guān)鍵問題。本文主要介紹了有源植入式醫(yī)療器械所用電池的發(fā)展歷程和使用現(xiàn)狀，并對新型電池技術(shù)進(jìn)行了闡述。

1 鋅汞電池

自從1960年，Wilson發(fā)明了世界上第一臺植入式心臟起搏器以來[4]，鋅汞電池由于其很高的能量密度和較為穩(wěn)定的電壓被廣泛應(yīng)用于心臟起搏器當(dāng)中。但它的缺點也很明顯：電池中的化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生氫氣[5]，致使鋅汞電池?zé)o法做到完全密封，液體容易滲入起搏器造成短路故障。同時，鋅汞電池電量耗盡時電壓變化小，電池耗盡指示困難，這些問題使得鋅汞電池最終被鋰電池所取代。

2 鋰電池

鋰電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料的電池。鋰碘電池、鋰二氧化錳電池以及鋰氟化碳電池是使用較為廣泛的鋰電池。它們都具有鋰金屬負(fù)極的自放電率低，電壓平緩的特點[6]，同時也因為正極材料的不同，它們各有各的優(yōu)勢和弊端。

2.1 鋰碘電池

鋰碘電池具有接近1.0 W·h / cm3的能量密度，2.8 V的開路電壓，以及100 μA的放電電流[7]。鋰碘電池憑借碘化鋰隔膜可以自動愈合[8]，憑安全性高、電池電量指示方便、化學(xué)性能好等優(yōu)點成功取代鋅汞電池，成為消耗電流較低的有源植入式醫(yī)療器械的主要應(yīng)用電池。當(dāng)然，鋰碘電池也存在碘穩(wěn)定性較差、碘的離子動力學(xué)性能差、電流較低的缺點，無法滿足大電流或高功率的有源植入式醫(yī)療器械的供電要求。

Wang等[9]研究了最新的鋰碘電池技術(shù)。他們在研究中發(fā)現(xiàn)，將碘固定到三維多孔碳材料當(dāng)中，碘的穩(wěn)定性得到了極大的改善，三維多孔碳的外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)還大大影響碘離子的嵌入，從而提高碘的離子動力學(xué)性能，增大了鋰碘電池的放電電流。這種新型的碘碳電極技術(shù)，為鋰碘電池性能的改善提供了重要的研究方向。

2.2 鋰/二氧化錳電池

神經(jīng)刺激器、多功能心臟起搏器、藥物遞送系統(tǒng)等生物醫(yī)學(xué)裝置需要毫安級的能量供應(yīng)[10]。Li/MnO2脈沖電流能夠上升到0.4 A，放電容量達(dá)到2.5 A·h，同時具有3.0 V的穩(wěn)定電池電位，理論比能量高達(dá)924 mW·h/g[11]，加上其存儲方便、無毒的優(yōu)點，一段時間內(nèi)大大滿足了植入式醫(yī)療器械電池毫安級別電流的需求，成為植入式除顫器等中高電流醫(yī)療器械的主要應(yīng)用電池[12]。目前，Li/MnO2電池系統(tǒng)也已經(jīng)開發(fā)用于高倍率醫(yī)療應(yīng)用，而且它具有的潛在二次充電特性，也成為該電池未來的發(fā)展方向。

2.3 鋰/氟化碳電池

氟化碳（CF）是通過將碳在400～600oC的溫度范圍內(nèi)氟化而制備的固態(tài)陰極材料[13]。它具有高度穩(wěn)定sp3雜化碳層，所以，C-F鍵極高的鍵能使其具有良好的安全性，且電池穩(wěn)定。常見鋰/氟化碳電池的開路電壓為3.3 V，同時具有一次電池中最大理論能量比，可以達(dá)到約2.18 W·h/g，電流輸出能力為毫安級別[14]。Li-CFX系統(tǒng)的低自放電，高工作電位和高能量密度特性使其成為良好中等功率電源。目前廣泛應(yīng)用于中等電流需求的有源植入醫(yī)療器械中。

雖然在中等電流需求的植入式醫(yī)療器械中，鋰氟化碳電池表現(xiàn)良好，但是，大型心臟除顫器、全人工心臟等有源植入醫(yī)療器械的電量消耗達(dá)到了安培級別。而氟化碳導(dǎo)電性能差，表面能低，容易極化，單純的氟化碳不能很好地作為電池的電極。許多學(xué)者開始研究氟化碳材料的改良技術(shù)，而摻雜和包覆是其中最有效的改性方法。

基于SVO和CFX兩種材料混合物做陰極材料的Li/HCSVO電池率先被研發(fā)出來，后來Greatbatch公司提出的Li/SVO-CFX電池的三明治層疊結(jié)構(gòu)（圖1）[15]，對Li/HCSVO電池進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，通過改變陰極材料的組合方式將SVO的高放電功率和CFX的高能量密度的優(yōu)點發(fā)揮到了極致。朱玲[16]研究了在氟化碳表面包覆不同導(dǎo)電物質(zhì)對其結(jié)構(gòu)及電化學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)在氟化碳表面包覆聚吡咯能提升材料表面電導(dǎo)率，改變表面活性，改善材料的放電容量等電化學(xué)性能。包覆很薄的聚吡咯可以大幅提高氟化碳的倍率放電性能，是比較理想的改性方法。這為未來鋰/氟化碳電池的發(fā)展提供了重要實驗基礎(chǔ)和研究方向。

圖1 三明治層疊結(jié)構(gòu)[15]Fig.1 Sandwich stack structure

2.4 鋰離子電池的發(fā)展

目前，植入式醫(yī)療設(shè)備受限于一次電池壽命限制，需要定期進(jìn)行手術(shù)更換電池，這給患者帶來極大地痛苦，二次電池可以很好地解決這一問題。作為新一代的綠色可再充電電池，鋰離子電池因為其更加良好的便攜性，更高的能量密度，更長的循環(huán)壽命和非記憶效應(yīng)[17]等眾多優(yōu)點，被引入到植入式醫(yī)療器械應(yīng)用當(dāng)中。

鋰離子電池通常由碳質(zhì)陽極和鋰金屬氧化物陰極組成，兩種電極材料都具有可逆插入鋰離子的能力[18]。和一次電池相比而言，鋰離子可充電電池?fù)碛懈叩碾妷?，更小的尺寸。雖然在能量密度上遜色于一次電池，但可以幾百上千次充電循環(huán)，大大延長了電池的使用壽命。隨著無線充電技術(shù)的不斷發(fā)展，鋰離子電池優(yōu)越性會被放大，從而更多地使用在植入式醫(yī)療器械當(dāng)中。

3 新型電池技術(shù)

現(xiàn)有的鋰電池因其能量密度、安全性、可靠性、體積、可監(jiān)測性等優(yōu)越的綜合性，已成為目前適用范圍最廣的植入式醫(yī)療器械電池。隨著醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步，醫(yī)療人員開始尋求更加靈活小巧的治療方式，這對電池技術(shù)提出了更高的要求。新型電池技術(shù)也在不斷地提出，更加靈活、便捷的能量存儲設(shè)備越來越受到人們的重視。

3.1 柔性電池

柔性電池本身具有柔性，具有輕薄、可折疊、可彎曲的特點[19]。柔性電池的安裝方式更加靈活，可為醫(yī)療器械的內(nèi)部電路騰出更多空間，使醫(yī)療設(shè)備的功能得到拓展。近年來，各種各樣的柔性電池都被紛紛提出。Balogun等[20]合成了一種無粘合劑的Fe2N納米粒子（Fe2N NPs）作為鋰離子二次電池的陽極，以此為基礎(chǔ)提出了一種具有高化學(xué)性能的柔性鋰離子二次電池。該電池實現(xiàn)了高達(dá)3 200 W/kg 的高功率密度和688 W·h/kg的高能量密度，同時具有較好循環(huán)穩(wěn)定性和容量保持率。這種電池的提出有利于推動柔性電池的高性能化，從而適應(yīng)愈加嚴(yán)格的醫(yī)療器械需求。

輝能科技研發(fā)出世界上首款鋰陶瓷電池，擁有極佳的動態(tài)彎曲與卷曲能力，厚度僅僅只有0.38 mm。電池采用了不可燃的固體陶瓷電解質(zhì)，安全性能非常好。這種電池可以靈活地安置在植入式醫(yī)療器械內(nèi)部，滿足供電要求的同時，提高植入式醫(yī)療器械內(nèi)部結(jié)構(gòu)利用率，為植入式醫(yī)療器械電路內(nèi)容的拓展提供了新的可能。

但都因為幾乎共同的問題，柔性化的鋰電池大都被植入式醫(yī)療器械拒之門外：他們使用強(qiáng)酸或有毒、易燃的有機(jī)溶劑作為電解質(zhì)，一旦電解液泄露，具有很大的安全隱患。在此背景下，Guo等[21]提出具有高安全性的多功能柔性含水鈉離子電池（SIB），Na0.44MnO2作為陰極，納米尺寸的NaTi2(PO4)3/C作為陽極，Na+鹽作為電解質(zhì)，具有高柔韌性和良好的電化學(xué)性能，雖然該電池在電壓方面略顯不足，但已經(jīng)很好地解決了有害電解質(zhì)帶來的安全隱患問題。

3.2 酶生物燃料電池

植入式醫(yī)療器械一直受到電池壽命的制約，難以持久可靠地為病人提供良好的服務(wù)。生物燃料電池開始逐漸受到研究人員的重視。酶生物燃料電池是以有機(jī)物為燃料，直接或間接利用酶作為催化劑的一類特殊的燃料電池。目前可應(yīng)用于人體的主要為葡萄糖燃料電池，具有選擇性好、催化效率高等優(yōu)點。

植入式葡萄糖燃料電池直接利用血液和組織液間的葡萄糖進(jìn)行發(fā)電，MacVittie等[22]研究了基于葡萄糖脫氫酶改性的陽極和漆酶改性的陰極組成的生物燃料電池系統(tǒng)，他們分別測試了該系統(tǒng)在龍蝦體內(nèi)和模擬血液循環(huán)系統(tǒng)中的電化學(xué)性能，都取得了很好的效果。在進(jìn)一步的測試研究中，如圖2所示，5個該系統(tǒng)串聯(lián)，初步證明該電池系統(tǒng)足以穩(wěn)定地驅(qū)動St Jude Medical起搏器5 h（沒有進(jìn)行更長時間的穩(wěn)定性測試），產(chǎn)生預(yù)期的脈沖，展示了該系統(tǒng)未來在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用上的可行性，為葡萄糖燃料電池提供了一種新的實施方案。

圖2 血清溶液中五對生物燃料電池組用于起搏器供電Fig.2 The biofuel cell battery composed of fi ve pairs in a serum solution for powering a pacemaker

2013年，Cosnier[23]在老鼠體內(nèi)植入了一種基于壓縮多壁碳納米管電極的新型生物燃料電池，如圖3所示。與傳統(tǒng)的電極表面改性不同，這種生物燃料電池通過壓縮的多壁碳納米管和酶來作為生物電極。體外實驗中，多壁碳納米管和酶之間的直接電子轉(zhuǎn)移使電池電壓達(dá)到0.95 V，功率輸出達(dá)到1.3 mW/cm2。由此可見，葡萄糖生物燃料電池已經(jīng)可以為植入式生物傳感器、尿道括約肌等小型電子設(shè)備提供足夠的電量。生物燃料電池未來有可能成為鋰電池的完美替代物品。

圖3 老鼠體內(nèi)基于壓縮多壁碳納米管電極的新型生物燃料電池Fig.3 A new biofuel cell design based on compressed MWCNT macro electrodes inside a rat

4 總結(jié)和展望

有源植入式醫(yī)療器械的電池經(jīng)歷了鋅汞電池、鋰碘電池、鋰二氧化錳電池、氟化碳電池、二次電池等幾個重要的發(fā)展階段。目前鋰電池的技術(shù)較為成熟，成為應(yīng)用范圍最為廣泛的植入式醫(yī)療器械電池。然而目前最新的有源植入式醫(yī)療器械電池在有限的體積中，所占部分仍然較大，所以電池在使用壽命和能量密度方面仍然有待提高。

可以預(yù)見，未來應(yīng)用于有源植入式醫(yī)療器械的電池技術(shù)將以高能量密度、安全可靠、穩(wěn)定長壽、低成本為核心目標(biāo)，進(jìn)一步縮減電池的體積，減少更換的次數(shù)，縮減成本，保證安全性能的同時，向著微型化和柔性化以及生物能發(fā)電的方向?qū)で笸黄?，使有源植入式醫(yī)療器械更加適合現(xiàn)代醫(yī)療快速發(fā)展。