微電子傳感器技術(shù)、微電子機(jī)器人或血管內(nèi)植入物的小型化進(jìn)展迅速。然而，它也給研究帶來了重大挑戰(zhàn)。其中最大的一項(xiàng)是開發(fā)微型但高效的能量存儲(chǔ)設(shè)備，這些設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)自主工作的微系統(tǒng)——例如，在越來越小的人體區(qū)域中運(yùn)行。

此外，這些能量存儲(chǔ)設(shè)備如果要在體內(nèi)使用，就必須是生物相容的。現(xiàn)在有一個(gè)原型結(jié)合了這些基本屬性。

這一突破是由開姆尼茨理工大學(xué)納米電子材料系統(tǒng)教授、開姆尼茨大學(xué)納米膜材料、結(jié)構(gòu)和集成中心（MAIN）發(fā)起人奧利弗·G·施密特教授領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)的德累斯頓萊布尼茨固態(tài)與材料研究所(IFW)技術(shù)部主任。萊布尼茨聚合物研究所德累斯頓(IPF)也作為合作伙伴參與了這項(xiàng)研究。

指尖上的90個(gè)管狀納米生物超級(jí)電容器(nBSC)陣列可實(shí)現(xiàn)血液中傳感器的自給自足操作。（圖片：研究小組教授OliverG.Schmidt博士）

在最新一期的《自然通訊》（“Nano-biosupercapacitorsenableautarkicsensoroperationinblood”）中，研究人員報(bào)告了迄今為止最小的微型超級(jí)電容器，它已經(jīng)在（人工）血管中起作用，并且可以用作能量來源用于測(cè)量pH值的微型傳感器系統(tǒng)。

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-40℃最大放電倍率：1C
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這種存儲(chǔ)系統(tǒng)為血管內(nèi)植入物和用于下一代生物醫(yī)學(xué)的微型機(jī)器人系統(tǒng)開辟了可能性，這些系統(tǒng)可以在人體內(nèi)深處難以到達(dá)的小空間中運(yùn)行。例如，實(shí)時(shí)檢測(cè)血液pH值有助于預(yù)測(cè)早期腫瘤生長(zhǎng)。

看到新的、極其靈活和自適應(yīng)的微電子技術(shù)如何進(jìn)入生物系統(tǒng)的微型世界，這是非常令人鼓舞的，研究小組負(fù)責(zé)人奧利弗G.施密特教授說，他對(duì)這項(xiàng)研究的成功非常滿意。

樣品的制造和生物超級(jí)電容器的研究主要在開姆尼茨理工大學(xué)的研究中心進(jìn)行。

我們的納米生物超級(jí)電容器的架構(gòu)為最大的挑戰(zhàn)之一提供了第一個(gè)潛在的解決方案-微型集成儲(chǔ)能設(shè)備，使多功能微系統(tǒng)能夠自給自足，施密特教授團(tuán)隊(duì)的研究員VineethKumar博士說和MAIN研究中心的研究助理。

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然而，用于更小的微電子元件的亞毫米范圍內(nèi)越來越小的能量存儲(chǔ)設(shè)備——所謂的“納米超級(jí)電容器”(nBSC)——不僅是一項(xiàng)重大的技術(shù)挑戰(zhàn)。這是因?yàn)?，通常情況下，這些超級(jí)電容器不使用生物相容性材料，而是使用腐蝕性電解質(zhì)，并且在出現(xiàn)缺陷和污染時(shí)會(huì)迅速放電。這兩個(gè)方面都使它們不適用于體內(nèi)的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

所謂的“生物超級(jí)電容器（BSC）”提供了一種解決方案。它們有兩個(gè)突出的特性：它們是完全生物相容的，這意味著它們可以用于血液等體液，并可用于進(jìn)一步的醫(yī)學(xué)研究。

此外，生物超級(jí)電容器可以通過生物電化學(xué)反應(yīng)補(bǔ)償自放電行為。在這樣做時(shí)，他們甚至可以從身體自身的反應(yīng)中受益。這是因?yàn)?，除了超?jí)電容器的典型電荷存儲(chǔ)反應(yīng)外，氧化還原酶促反應(yīng)和血液中天然存在的活細(xì)胞將設(shè)備的性能提高了40%。

目前，最小的此類能量存儲(chǔ)設(shè)備大于3mm3。OliverSchmidt教授的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已成功制造出體積小3,000倍的管狀nBSC，其體積僅為0.001mm3（1納升），占用的空間比一?；覊m還小，但可為微電子提供高達(dá)1.6V的電源電壓傳感器。例如，該能量可用于血液中的傳感器系統(tǒng)。

功率水平也大致相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)AAA電池的電壓，盡管這些最小尺度上的實(shí)際電流當(dāng)然要低得多。納米生物超級(jí)電容器的柔性管狀幾何形狀提供了有效的自我保護(hù)，防止由脈動(dòng)血液或肌肉收縮引起的變形。在滿負(fù)荷時(shí)，所提出的納米生物超級(jí)電容器可以操作一個(gè)復(fù)雜的完全集成的傳感器系統(tǒng)，用于測(cè)量血液中的pH值。

得益于折紙結(jié)構(gòu)技術(shù)：靈活、堅(jiān)固、小巧

折紙結(jié)構(gòu)技術(shù)涉及將nBSC組件所需的材料放置在高機(jī)械張力下的超薄表面上。當(dāng)材料層隨后以受控方式從表面分離時(shí)，應(yīng)變能被釋放，這些層將自身纏繞成具有高精度和良率(95%)的緊湊型3D設(shè)備。

以這種方式生產(chǎn)的納米生物超級(jí)電容器在稱為電解質(zhì)的三種溶液中進(jìn)行了測(cè)試：鹽水、血漿和血液。在所有三種電解質(zhì)中，能量存儲(chǔ)都非常成功，盡管效率不同。在血液中，納米生物超級(jí)電容器顯示出極好的使用壽命，即使在16小時(shí)后仍能保持其初始容量的70%。使用質(zhì)子交換分離器(PES)來抑制快速自放電。

即使在現(xiàn)實(shí)條件下的性能穩(wěn)定性

為了在不同情況下維持自然的身體機(jī)能，血液的流動(dòng)特性和血管內(nèi)的壓力都在不斷變化。血流脈動(dòng)并根據(jù)血管直徑和血壓而變化。循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)的任何可植入系統(tǒng)都必須承受這些生理?xiàng)l件，同時(shí)保持穩(wěn)定的性能。

因此，該團(tuán)隊(duì)在直徑為120至150微米（0.12至0.15毫米）的所謂微流體通道中研究了他們開發(fā)的性能-類似于風(fēng)洞，以模擬不同大小的血管。在這些通道中，研究人員模擬并測(cè)試了其儲(chǔ)能設(shè)備在不同流量和壓力條件下的行為。他們發(fā)現(xiàn)納米生物超級(jí)電容器可以在生理相關(guān)條件下良好而穩(wěn)定地提供電力。

獨(dú)立的傳感器技術(shù)可以支持診斷——例如腫瘤診斷

血液的氫勢(shì)(pH)會(huì)發(fā)生波動(dòng)。例如，連續(xù)測(cè)量pH值有助于腫瘤的早期檢測(cè)。為此，研究人員開發(fā)了一種pH傳感器，由納米生物超級(jí)電容器提供能量。

OliverSchmidt教授的研究團(tuán)隊(duì)先前建立的5μm薄膜晶體管(TFT)技術(shù)可用于開發(fā)具有卓越機(jī)械靈活性、以低功率（nW至μW）和高頻率（高達(dá)100MHz）運(yùn)行的環(huán)形振蕩器。

對(duì)于當(dāng)前項(xiàng)目，該團(tuán)隊(duì)使用了基于nBSC的環(huán)形振蕩器。該團(tuán)隊(duì)將pH敏感BSC集成到環(huán)形振蕩器中，以便根據(jù)電解質(zhì)的pH值改變輸出頻率。這種pH敏感環(huán)形振蕩器還使用“瑞士卷”折紙技術(shù)形成了管狀3D幾何形狀，創(chuàng)建了一個(gè)完全集成的超緊湊型能量存儲(chǔ)和傳感器系統(tǒng)。

該微型傳感器系統(tǒng)的空心內(nèi)核用作血漿的通道。此外，三個(gè)與傳感器串聯(lián)的nBSC可實(shí)現(xiàn)特別高效和自給自足的pH測(cè)量。

這些特性開辟了廣泛的可能應(yīng)用，例如在診斷和藥物方面。