生物相容霍克蓄电池：推动可穿戴和植入式医疗设备的未来发展

生物相容电池是下一代可穿戴和植入式医疗设备安全可靠供电的核心。然而，传统化学和僵硬包装仍难以适应软且动态的生物环境。本综述批判性地审视了生物相容电池系统的材料和架构策略，重点关注其与生物传感器及其他生物医学电子设备的集成。首先，明确了植入式和身体贴合电源的具体要求，包括生物相容性、能量密度、电压稳定性以及与组织和皮肤的机械兼容性。随后，讨论探讨了有机和无机材料、液态金属以及纳米结构电极，这些材料使得能够实现柔韧、可延展且在某些情况下具备可生物降解的能量储存能力，同时还包括气相沉积、弹性冲压和先进光刻技术，这些技术是微型化建筑的关键制造途径。重点关注界面工程、封装、界面稳定和表面改造，以减轻器件-组织界面和电极-电解质界面的电化学泄漏电流、炎症反应及机械错配。重点介绍了将这些电池与生物感测平台整合的策略，包括利用体液作为电解质的开放系统概念，以及消除取卵手术需求的瞬态或生物可吸收设计。在近期植入可演示的基础上，对剩余障碍、软系统和可降解系统中有限的能量密度、长期机械和电化学稳定性、可扩展制造以及严格的监管和安全约束进行了严峻评估。综述最后概述了材料和界面设计的有前景方向，包括生物相容性纳米结构电极和生物匹配封装，这些都是迈向临床可行、应用特定生物相容性电池的关键步骤，这些电池可无缝集成于可穿戴和植入式生物传感器。

1.  

可生物降解或瞬态电子产品已成为一类具有变革性的器件技术，其特点是在预定的功能寿命后，程序性地溶解于水性生理或环境介质中[1]，[2]，[3]。通过克服传统电子系统的局限，这些平台解决了生物医学和生态学背景下的关键局限。在临床环境中，瞬态电子植入物能够在伤口愈合、组织再生和神经调节等过程中实现临时感应、刺激和治疗干预，从而避免了二次手术取出的需求。这种短暂性显著降低了慢性炎症、感染和手术并发症的风险，同时减轻了患者的长期负担并降低了医疗成本[4]，[5]，[6]，[7]，[8]。除了医学之外，可生物降解电子产品还为传统设备提供了环境可持续的替代方案，有助于减少电子废弃物，并减轻非生物降解且有毒材料对环境的影响[9]、[10]、[11]、[12]。
实现可生物降解电子学的关键在于开发能够适应动态生物组织机械性能的柔软、柔韧且可伸缩的器件平台。与刚性电子系统不同，机械上灵活且可延展的架构能够适应大变形和连续运动，实现与软器官的稳定且紧密的整合。该领域的进步得益于材料设计、器件架构和超薄结构工程的进步，降低弯曲刚度使得极高的柔韧性得益于同时不损害机械完整性[13]。植入式生物电子学的发展历程，从早期的刚性起搏器到现代无线、柔性且可生物降解的系统，见图1[21]。
近期进展进一步将可生物降解和柔性电子技术扩展到可穿戴和表皮平台，实现持续、非侵入性的生理监测[22]， [23]， [24]， [25]， [26]。为了解新兴电池技术的性能，表1对医疗器械的替代能源收集方法进行了比较。其他创新，如自愈电子设备和完全生物吸收系统，进一步拓展了瞬态生物医学设备的功能范围[27]。与传统锂基系统相比，生物相容电池通常表现出较低的能量密度。最先进的锂离子和先进的锂金属或固态电池通常可输出200–300 Wh千克⁻¹在全电池层面，优化设计超过300–500 Wh kg。⁻¹>250 Wh L⁻¹在实际配置中[28]。
新兴的锂-硫和锂-金属化学结构在原型电池中可达到相当甚至更高的比能（≈300–500 Wh kg）⁻¹).相比之下，依赖良性电极、水性/生物聚合物电解质或生物流体激活反应的生物相容性和瞬态电源，通常每单位质量或面积储存的能量少好几个数量级，通常单位单位为μWh–mWh cm。⁻²该仪式，比能远低于50 Wh kg。⁻¹当包含封装和结构支撑时。这一差异反映了需要用更安全、可降解且机械合规的组件替代高容量但有毒或反应性强材料（如锂金属、过渡金属氧化物），而这些组件本质上限制了可实现的电压窗口、活性材料负载以及体内长期循环稳定性[11]，[12]，[29]，[30]，[31]。
相反，可生物降解和生物流体激活的电池具有固有安全性和与瞬态电子设备的兼容性，但仍受限于低能量密度和有限的功率输出（即典型性能≈0.03–7 mWh cm）⁻²能量和≈10–200微瓦 cm⁻²功率），以及与长期体内稳定性相关的未解决挑战，尤其是在机械动力学和化学异质条件下。为克服这些限制，近期研究了无溶剂固态锂电池、紧凑型镁空气系统、采用生物聚合物电解质的可降解薄膜镁电池，以及为可穿戴动力纺织设计的仿生锌电池[32]。还提出了补充的能量收集策略，包括基于丝纤维素离子交换膜和压电发生器的盐度梯度系统，以提升植入式电源的可持续性和自主性[33]。尽管取得了显著进展，但在能量密度、机械顺应性、生物相容性和可控降解之间实现最佳平衡仍是核心挑战[12]，[31]。
因此，本综述聚焦于三个关键目标：（i）评估现有电池化学结构和设备架构是否满足不同植入物类别的定量功率、寿命和机械要求;（ii）批判性评估生物相容性材料和包装策略的长期体内性能;以及（iii）识别具有现实潜力的材料和系统层面创新，以弥补相较于传统锂电池的持续能量密度和安全差距。综合来看，这些观点凸显了下一代生物兼容能源储存系统在推动可穿戴和植入式生物医学电子未来发展中的关键作用。本综述文章对植入式和可穿戴生物医学系统的生物相容性电池技术进行了批判性和综合分析，超越了现有综述中以材料为中心的传统总结。与以往主要强调电化学性能或单一材料类别的研究不同，本综述系统地将生物相容性电池材料与器件级需求、系统集成限制及临床转化挑战联系起来。
重点关注新兴的混合能源策略，包括将生物相容电池与摩擦电及其他生物机械能量收集器整合，强调它们在延长使用寿命而非替代电池方面的作用。此外，本综述批判性地审视了人工智能驱动的电力管理在自适应能源控制、预测性劣化监测和需求驱动运行中日益增长的作用。识别了与长期体内稳定性、包装可靠性、可扩展性和法规合规性相关的关键挑战，并指出了标准化测试和转化途径中存在的现有空白。通过回顾广泛文献中的最新进展、新兴趋势和未来展望，本综述旨在提供一个实用且前瞻性的框架，支持可靠、自主且临床可行的植入式生物电子动力系统的开发。