研究内容

植入式医疗系统的一个主要挑战是包含或可靠地输送电能。我们使用超声波通过皮肤和液体传递机械能，并展示了一种可植入的薄型振动摩擦发电机，能够有效地收集这种能量。超声波可以诱导聚合物薄膜发生微米级位移，通过接触起电生成电能。我们在水中以每秒166微库仑的速度给锂离子电池充电。体外由超声波能量传输产生的电压和电流在猪组织下达到了2.4伏和156微安。这些发现表明，电容式摩擦发电机是第一项能够在体内与压电技术竞争，以收集超声波并为医疗植入物供电的技术。

研究背景

医疗植入物因其多种优势而日益普及，但它们依赖于电池供电，通常需要手术更换，带来一定的风险和成本。现有的射频外部充电技术因组织衰减限制了功率传输，并可能导致组织损伤；而电磁感应耦合技术则对线圈的对准和距离敏感，且可能在组织中产生过多热量，从而影响代谢和免疫系统。这两种技术在效率和安全性方面均存在顾虑。

在能量收集方面，体内运动被视为内部能量源，尽管其低频和难以收集的特性给能量获取带来了挑战。已有研究开发了压电生物机械能量收集器，以感知和监测生命功能，采用了多种材料如PZT、纳米带和ZnO纳米线。基于压电效应的能量收集在存在应力循环的情况下是可行的，摩擦电发电机（TEGs）也被研究用于能量收集，已在动物实验中植入。

尽管这些技术在大型动物中显示出潜力，但转换的功率仍然不足以驱动植入物。声波和便携式超声发生器被认为是安全的能量传输方式，能够独立于环境条件为植入物供电。然而，现有的压电超声能量接收器使用的PZT材料在生物医学应用中存在毒性问题，并且需要复杂的制造工艺和良好的共振才能实现高效收集，且其厚度限制了与植入物的结合。尽管微-PZT膜阵列的小型设备已被测试，但其产生的功率仍然不足以为电池充电。

研究思路

我们研究了一种高频振动可植入摩擦电发电机（VI-TEG），旨在体内收集超声波（US）能量。该设备设计为植入皮肤下方，约10毫米深。其核心是一种厚度约为50微米的大面积全氟烷氧基（PFA）膜，这是一种四氟乙烯和全氟醚的共聚物，其目的是在超声波压力下使膜产生振动。

VI-TEG的设计确保了即便在不同的环境和使用条件下也能实现简单且持续的操作。膜悬挂在一个尺寸为3.6厘米×3.6厘米的铜电极上，并且电极表面覆盖了金。膜的密封使用了熔融粘合剂，整个VI-TEG的厚度不到1毫米。

我们在该设备的背面集成了整流器、变压器、电压调节器和电池，以实现能量存储和管理。初步的声学和机械模拟结果表明，由于反射作用，超声波无法有效穿过VI-TEG。通过20 kHz的超声激励，膜表现出多模态振动，产生多个上下移动的节点和反节点，显示出该技术在能量收集方面的潜力。

研究结果

图1. VI-TEG的概念与设计。(A) 使用VI-TEG在皮下进行能量收集的示意图。(B) VI-TEG结构的分解视图。(C) VI-TEG的正面和背面照片。(D) 通过水和VI-TEG传播的超声声压的有限元法(FEM)模拟。(E) 在20 kHz超声探头下，VI-TEG在水下5毫米处的振动的FEM模拟。

图2. VI-TEG的电学特性。(A) 实验表征设置的侧视图。(B) VI-TEG工作机理示意图。(C和D) 在40兆欧阻抗下的摩擦电电压(C)以及在20 kHz频率和3 W/cm²功率密度下，距离超声探头装置5毫米的水中测量到的1兆欧阻抗下的电流(D)。(E和F) 分别在3 W/cm²和1 W/cm²功率密度下，距离超声探头装置5毫米处的最大电流和功率随电气阻抗的变化。

图3. VI-TEG的发电和充电能力。(A和B)使用集成变压器对一个4.7μF的电容器进行充电(A)，以及在距离设置为3W/cm²的超声探头5mm处的水中对一个700mA·h的薄膜锂离子电池进行充电(B)。(C)根据与超声探头的距离（3W/cm²）得到的最大电压和电流。插图i和ii分别显示了距离超声探头2mm和5mm处的电信号电压波形。(D)根据超声探头的功率得到的最大电压和电流（5mm处）。插图i和ii分别显示了从0.5到2.0W/cm²和从2.5到5.0W/cm²的超声探头功率设置下的电信号电压波形。

图4. 体外和猪组织内部的VI-TEG特性表征。(A 和 B) 猪体外 (A) 的示意图和组织 (B)，展示了植入的VI-TEG的位置。(C) 植入在猪组织下0.5厘米和1厘米处的VI-TEG的照片。(D)和(E) 猪组织下植入0.5厘米（D）和1厘米（E）处的VI-TEGs在40兆欧阻抗下的电压，以及在1兆欧阻抗下的电流。超声探头设置为20 kHz和1 W/cm²。

研究结论

本工作研究了摩擦电技术在液体和软组织中接收美国能源的情况。原型机可以产生毫瓦级别的电力，从而实现对电容器和锂离子电池的充电。我们注意到VI-TEG原型机之间存在一些性能差异，并且更好地控制膜的厚度和张力以及空气间隙会影响振动并可能改善性能。

推荐理由

该技术可为心脏起搏器等植入设备提供电力，减少手术的频率和风险。建议进一步研究优化VI-TEG结构和性能，并进行长期的临床前测试，以确保其在人体实际应用中的效果和安全性。

参考文献

10.1126/science.aan3997