生物超级电容器为生物医学应用提供能量

的小型化的微电子传感器技术、微电子机器人或血管内植入物正在迅速发展。然而，它也给研究带来了重大挑战。其中最大的成就之一是微型但高效的能量储存装置的发展，这种装置使微系统能够自主工作，例如在人体越来越小的区域。此外，如果这些储能设备要在人体中使用，它们必须具有生物兼容性。现在有一个结合了这些基本属性的原型。

这一突破是由开姆尼茨工业大学教授Oliver G. Schmidt教授领导的一个国际研究小组，纳米材料材料系统教授，纳米材料、结构和集成中心的发起人（主要）在开姆尼茨工业大学和莱布尼茨固体与材料研究所（IFW）德累斯顿主任。德累斯顿莱布尼茨聚合物研究所（IPF）也作为合作伙伴参与了这项研究。

在自然通讯，研究人员报告了迄今为止最小的微型超级电容器，它已经在（人造）血管中发挥作用，可以作为微型传感器系统测量pH值的能源。

该存储系统为血管内植入和微型机器人新一代系统生物医学它可以在人体深处难以触及的小空间进行操作。例如，实时检测血液pH值可以帮助预测早期肿瘤的生长。“看到它是如此的新颖、灵活和适应性，这是非常令人鼓舞的微电子研究小组负责人奥利弗·g·施密特教授说，他对这项研究的成功非常满意。

样品的制备和生物电容器的研究主要在开姆尼茨工业大学研究中心进行。

”的架构nano-bio超级电容器提供第一个最大的一个潜在解challenges-tiny综合能源存储设备,使多功能微系统的自给自足的操作,“Vineeth Kumar博士说,施密特教授的研究团队,主要研究中心副研究员。

比一点灰尘还小

然而，更小的亚毫米范围的能量存储设备——所谓的“纳米超级电容器”(nBSC)——用于更小的微电子元件不仅是一个重大的技术挑战。这是因为，作为一个规则，这些超级电容器不使用生物相容的材料，但，例如，腐蚀性电解质和迅速放电，在缺陷和污染的事件。这两个方面都使其不适合人体生物医学应用。所谓的“生物超级电容器(BSCs)”提供了一个解决方案。它们有两个突出的特性:完全生物相容性，这意味着它们可以用于血液等体液，也可以用于进一步的医学研究。

此外，生物超级电容器可以通过生物电化学反应补偿自放电行为。这样做，他们甚至可以从身体自身的反应中获益。这是因为，除了超级电容器的典型电荷储存反应外，血液中自然存在的氧化还原酶反应和活细胞使装置的性能提高了40%。

目前，最小的这种储能设备大于3mm3。Oliver Schmidt教授的团队现在已经成功地制造出了一个比纳米粒子小3000倍的管状纳米粒子，它的体积为0.001 mm3(1纳米升)，比一粒灰尘占用的空间还小，却能为微电子传感器提供高达1.6 V的电源电压。例如，这种能量可以用于血液中的传感器系统。功率水平也大致相当于一个标准的AAA电池的电压，尽管这些最小规模的实际电流当然要低得多。纳米生物超级电容器的柔性管状几何结构提供了有效的自我保护，防止脉动血液或肌肉收缩造成的变形。在满容量时，纳米生物超级电容器可以操作一个复杂的完整集成传感器系统，用于测量血液中的pH值。

折纸结构

折纸结构技术涉及在高机械张力下将nBSC元件所需的材料放置在晶圆薄表面上。当材料层随后以受控方式从表面分离时，应变能被释放，层以高精度和高产量（95%）卷绕成紧凑的3D设备。用这种方法生产的纳米生物超级电容器在三种被称为电解质的溶液中进行了测试：盐水、血浆和血液。在所有三种电解质中，储能都非常成功，尽管效率各不相同。在血液中，纳米生物超级电容器表现出卓越的使用寿命，即使在16小时后仍能保持其初始容量的70%。质子交换分离器（PES）用于抑制快速自放电。

性能稳定，即使在现实条件下

为了在不同的情况下维持人体的自然功能，血液的流动特性和血管内的压力都在不断变化。血流量随血管直径的不同而变化血压. 循环系统内的任何植入式系统必须能够承受这些生理条件，同时保持稳定的性能。

因此，研究小组研究了他们开发的性能——类似于风洞——在直径为120到150微米(0.12到0.15毫米)的所谓微流体通道中模拟不同大小的血管。在这些通道中，研究人员模拟并测试了储能装置在不同流量和压力条件下的行为。他们发现，纳米生物超级电容器可以在生理相关条件下提供良好而稳定的电力。

自包含传感器可以支持诊断

血液中的氢势(pH)易受波动影响。例如，持续测量pH值可以帮助早期发现肿瘤。为此，研究人员开发了一种由纳米生物超级电容器提供能量的pH传感器。

奥利弗·施密特教授的研究团队之前建立的5 μ m薄膜晶体管(TFT)技术可以用于开发具有特殊机械灵活性的环形振荡器，工作在低功率(nW至W μ W)和高频率(高达100MHz)。

对于当前项目，团队使用了基于nBSC的环形振荡器。该团队将一个pH敏感的BSC集成到环形振荡器中，以便根据电解液的pH值改变输出频率。该pH敏感环形振荡器还使用“瑞士卷”折纸技术形成管状3D几何体，创建了一个完全集成和超紧凑的能量存储和传感器系统。

这种微传感器系统的中空内核充当血浆通道。此外，与传感器串联的三个NBSC可实现特别高效和自给自足的pH测量。

这些特性开辟了广泛的应用领域，例如诊断和药物治疗．