港大水凝膠發電器 植入人體醫學設備
收集動能轉化 供電心臟起搏
香港大學工程學院機械工程系教授徐立之領導研究團隊,開發了一種新型基於水凝膠的高性能機電能量轉換器,可以為植入人體的微型生物醫學設備,例如心臟起搏器,就供電問題提供可靠的解決方案。研究結果已在《自然—通訊》(Nature Communications)刊登。
心臟起搏器、腦刺激器、可穿戴式藥物輸送系統等可植入人體的微型生物醫器件,均需要可靠的電源,以確保其能夠持續地為病人提供有效的治療和監測;而機電能轉換,即收集人體的機械運動,再把動能轉化為電能,是解決生物電子器件的供電問題的可行方案。
可模仿生物組織特性設計
過去十年間,科研人員提出了各種小型化機電能量轉換器。然而,要實現與人體適形的裝置結構,仍然甚具挑戰。徐立之領導的團隊,利用了夾在兩個電極之間的離子負載水凝膠來構建微型發電器。水凝膠是良好的人體適形裝置結構,其柔軟、有彈性,而且可以模仿生物組織的特性進行設計,並且具有高度的生物相容性,能夠符合人體中各種組織的形狀。
團隊開發的水凝膠微型發電器,利用了結構和化學不對稱來放大離子負載水凝膠中的電荷分離。該設計令水凝膠發電機的電力輸出增強了幾個數量級,這對小型化生物醫學設備的供電非常重要。 在對該裝置施加機械壓縮的情況下,水凝膠中帶正電荷的離子和帶負電荷的離子會以不同的速度移動。電荷的分離將產生電壓和電流,可被外部電路利用。
研究團隊進一步利用該裝置中的不對稱設計,大大提高了電力輸出,達到了每周期5.5mA/m2和 916 mC/m2的超高水平,遠遠超過了其他系統,比摩擦納米發電機或其他柔性發電機等提高約10倍。 團隊初步展示把水凝膠微型發電器應用於一種可控藥物釋放的柔性貼片。徐指,新技術可進一步應用於心臟起搏器、穿戴式健康監測儀、VR/AR介面等許多其他生物醫學設備。