综述：微电池设计的研究进展及其在生物医学中的应用

《Advances in Optics and Photonics》：Research Progress on the Design of Micro-batteries and Applications in Biomedicine

本文综述了微电池（MBs）在生物医学领域的应用，包括材料设计、制造工艺及结构优化，分析其在植入式设备、可穿戴传感器和智能药物递送系统中的性能需求与挑战，并提出未来发展方向。

　　
微型电池在生物医学领域的应用与技术创新研究

近年来，生物医学电子设备在植入式装置、可穿戴设备和智能药物递送系统等领域实现了跨越式发展。这些微型化医疗设备对能源供应系统提出了更高要求：需在毫米级甚至纳米级体积内实现高能量密度、优异生物相容性和长期稳定性能。微型电池（Micro-Batteries, MBs）作为新一代生物医学能源解决方案，其发展已进入关键突破期。

在材料系统设计方面，研究重点呈现多元化趋势。金属空气电池因其独特的能量密度优势（可达500-800 Wh/kg）受到广泛关注，其柔性电极材料和自支撑结构特别适合植入式医疗设备。新型固态电解质材料（如聚合物基固态电解质）显著提升了电池的安全性能，通过界面修饰技术可将电解质与生物组织的相容性提高3-5倍。制造工艺的革新成为突破能量密度瓶颈的关键，微流控技术可实现直径50微米以下的多孔电极结构，3D打印技术则支持复杂仿生结构的电池组装。

植入式设备领域正经历从"替代功能"到"增强功能"的转变。心脏起搏器已从传统的锂离子电池升级至新型固态锌银电池，在维持20年续航的同时将体积缩小至1立方毫米。神经刺激器应用新型柔性锂聚合物电池，通过纳米级多孔隔膜技术，使电池在弯曲半径小于2毫米时仍能保持稳定输出。肿瘤治疗领域出现的"动态能量供给系统"，通过微流控芯片与MBs的集成，实现了治疗剂量与能量消耗的实时匹配，使靶向给药效率提升40%。

可穿戴医疗设备的发展推动电池技术向多功能集成方向演进。智能贴片结合MBs与无线能量传输模块，在维持14天续航的同时支持毫米波级别的数据传输。柔性电子皮肤电池采用石墨烯/聚酰亚胺复合材料，在连续72小时穿戴测试中容量保持率达92%。运动监测设备则运用梯度结构MBs，通过不同材料层厚度的精密调控，实现了运动模式识别与能量供给的协同优化。

药物递送系统的智能化需求催生了新型能源解决方案。磁控靶向给药系统搭载的MBs采用钕铁硼永磁体与柔性电池的复合结构，在磁场作用下可实现药物缓释速率的精确调控（±5%误差范围）。纳米机器人驱动的药物递送系统则使用生物相容性水凝胶封装的MBs，其自我修复特性使电池在生理液浸泡30天后仍保持80%以上的活性。

技术发展面临多重挑战：材料界面稳定性在植入环境中易受生理液腐蚀影响，需开发仿生多孔保护层；能量密度与机械强度的矛盾亟待解决，新型碳纳米管复合电极材料将这两项指标分别提升至120 mAh/g和8 GPa；制造工艺的规模化瓶颈，微流控3D打印技术可将电池制作周期从72小时缩短至8小时，但良品率仍需从65%提升至90%以上。

未来发展方向聚焦于三个维度：功能集成方面，开发可同时实现能量供给、无线传感和药物释放的"三合一"MBs；仿生设计方面，模仿生物组织自愈特性开发动态能量管理系统；环境友好方面，建立从材料合成到废弃回收的全生命周期绿色体系。预计到2035年，生物医学MBs市场规模将突破80亿美元，年复合增长率达15.2%，其中植入式设备将占据62%的市场份额。

该研究通过系统梳理近五年278篇核心文献（涵盖Nature Energy、Advanced Materials等顶级期刊），首次建立MBs性能评价的"生物-技术"双维度评估模型。研究发现：采用仿生分级结构的MBs，其循环寿命可延长至传统设计的3倍以上；新型生物酶催化固化的电解质膜，使电池在37℃生理环境下工作稳定性提升5倍。这些突破性进展为下一代智能医疗设备提供了关键技术支撑。

研究特别指出，医疗级MBs需要建立不同于消费电子的严格认证体系。建议采用"三阶段递进式"认证流程：基础生物相容性测试（30天浸泡实验）→动态生理环境模拟（72小时体温/湿度波动测试）→长期临床前评估（6个月体外循环测试）。同时提出建立MBs性能与临床应用效果的关联数据库，为不同医疗场景提供精准匹配的电池解决方案。

该领域的创新突破正在重塑生物医学工程的发展路径。从心脏起搏器的"静默供电"到脑机接口的"实时响应"，从智能假肢的"动态调节"到靶向药物的"精准释放"，MBs的技术进步正在开启生物医学工程的新纪元。未来五年，随着固态电池制造工艺的成熟和生物工程材料的突破，预计可实现MBs能量密度的翻番，将单次充电的持续工作时间从72小时延长至240小时，这将为可穿戴医疗设备带来革命性变革。