微型生物超级电容器竟然比一粒灰尘还小？电压堪比AAA电池

微电子传感器技术、微电子机器人或血管内植入物的小型化进展迅速。然而，它也给研究带来了重大挑战。其中最大的一项是开发微型但高效的能量存储设备，这些设备能够实现自主工作的微系统——例如，在越来越小的人体区域中运行。

此外，这些能量存储设备如果要在体内使用，就必须是生物相容的。现在有一个原型结合了这些基本属性。

这一突破是由开姆尼茨理工大学纳米电子材料系统教授、开姆尼茨大学纳米膜材料、结构和集成中心（MAIN）发起人奥利弗·G·施密特教授领导的国际研究团队实现的德累斯顿莱布尼茨固态与材料研究所(IFW)技术部主任。莱布尼茨聚合物研究所德累斯顿(IPF)也作为合作伙伴参与了这项研究。

指尖上的90个管状纳米生物超级电容器(nBSC)阵列可实现血液中传感器的自给自足操作。（图片：研究小组教授OliverG.Schmidt博士）

在最新一期的《自然通讯》（“Nano-biosupercapacitorsenableautarkicsensoroperationinblood”）中，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（人工）血管中起作用，并且可以用作能量来源用于测量pH值的微型传感器系统。

这种存储系统为血管内植入物和用于下一代生物医学的微型机器人系统开辟了可能性，这些系统可以在人体内深处难以到达的小空间中运行。例如，实时检测血液pH值有助于预测早期肿瘤生长。

看到新的、极其灵活和自适应的微电子技术如何进入生物系统的微型世界，这是非常令人鼓舞的，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。

样品的制造和生物超级电容器的研究主要在开姆尼茨理工大学的研究中心进行。

我们的纳米生物超级电容器的架构为最大的挑战之一提供了第一个潜在的解决方案-微型集成储能设备，使多功能微系统能够自给自足，施密特教授团队的研究员VineethKumar博士说和MAIN研究中心的研究助理。

比一粒灰尘还小——电压堪比AAA电池

然而，用于更小的微电子元件的亚毫米范围内越来越小的能量存储设备——所谓的“纳米超级电容器”(nBSC)——不仅是一项重大的技术挑战。这是因为，通常情况下，这些超级电容器不使用生物相容性材料，而是使用腐蚀性电解质，并且在出现缺陷和污染时会迅速放电。这两个方面都使它们不适用于体内的生物医学应用。

所谓的“生物超级电容器（BSC）”提供了一种解决方案。它们有两个突出的特性：它们是完全生物相容的，这意味着它们可以用于血液等体液，并可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。在这样做时，他们甚至可以从身体自身的反应中受益。这是因为，除了超级电容器的典型电荷存储反应外，氧化还原酶促反应和血液中天然存在的活细胞将设备的性能提高了40%。

目前，最小的此类能量存储设备大于3mm3。OliverSchmidt教授的团队现已成功制造出体积小3,000倍的管状nBSC，其体积仅为0.001mm3（1纳升），占用的空间比一粒灰尘还小，但可为微电子提供高达1.6V的电源电压传感器。例如，该能量可用于血液中的传感器系统。

功率水平也大致相当于标准AAA电池的电压，尽管这些最小尺度上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形状提供了有效的自我保护，防止由脉动血液或肌肉收缩引起的变形。在满负荷时，所提出的纳米生物超级电容器可以操作一个复杂的完全集成的传感器系统，用于测量血液中的pH值。

得益于折纸结构技术：灵活、坚固、小巧

折纸结构技术涉及将nBSC组件所需的材料放置在高机械张力下的超薄表面上。当材料层随后以受控方式从表面分离时，应变能被释放，这些层将自身缠绕成具有高精度和良率(95%)的紧凑型3D设备。

以这种方式生产的纳米生物超级电容器在称为电解质的三种溶液中进行了测试：盐水、血浆和血液。在所有三种电解质中，能量存储都非常成功，尽管效率不同。在血液中，纳米生物超级电容器显示出极好的使用寿命，即使在16小时后仍能保持其初始容量的70%。使用质子交换分离器(PES)来抑制快速自放电。

即使在现实条件下的性能稳定性

为了在不同情况下维持自然的身体机能，血液的流动特性和血管内的压力都在不断变化。血流脉动并根据血管直径和血压而变化。循环系统内的任何可植入系统都必须承受这些生理条件，同时保持稳定的性能。

因此，该团队在直径为120至150微米（0.12至0.15毫米）的所谓微流体通道中研究了他们开发的性能-类似于风洞，以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其储能设备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良好而稳定地提供电力。

独立的传感器技术可以支持诊断——例如肿瘤诊断

血液的氢势(pH)会发生波动。例如，连续测量pH值有助于肿瘤的早期检测。为此，研究人员开发了一种pH传感器，由纳米生物超级电容器提供能量。

OliverSchmidt教授的研究团队先前建立的5µm薄膜晶体管(TFT)技术可用于开发具有卓越机械灵活性、以低功率（nW至µW）和高频率（高达100MHz）运行的环形振荡器。

对于当前项目，该团队使用了基于nBSC的环形振荡器。该团队将pH敏感BSC集成到环形振荡器中，以便根据电解质的pH值改变输出频率。这种pH敏感环形振荡器还使用“瑞士卷”折纸技术形成了管状3D几何形状，创建了一个完全集成的超紧凑型能量存储和传感器系统。

该微型传感器系统的空心内核用作血浆的通道。此外，三个与传感器串联的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可能应用，例如在诊断和药物方面。