可生物降解的柔性超级电容器实现与人体共生并调节神经活动

可生物降解电子设备存在能量存储局限，本文报道的可生物降解柔性超级电容器（BFSC）可解决该问题，助力生物电子发展。

　　

在生命科学和健康医学领域，电在生物体中广泛存在，控制着生物的通讯、活动和思维。生物电子学利用这一特性，通过操纵生物信号来实现治疗目的，在心脏起搏、神经刺激和组织修复等方面取得了显著进展。可生物降解电子设备（BEDs）作为一种新兴技术，能在完成规定操作后在体内完全溶解，避免了长期排斥反应和二次手术取出设备的风险，成为临时疗法的理想选择。然而，BEDs 面临着一个长期挑战，即缺乏合适的植入式电源。现有报道的 BED 电源解决方案，如 tether 电源、无线电源传输和能量收集器等，都存在一定的缺陷，如感染风险、稳定性差和输出功率不足等问题。此外，当前的可生物降解电源在容量、寿命和柔软性方面也存在局限性，难以满足典型电子设备（如起搏器）在围手术期持续运行的需求。因此，开发完全可生物降解、可充电、高容量且柔软的电源迫在眉睫。

Ti₃C₂T_x MXene 作为一种多功能二维（2D）层状材料，因其制备简单、电导率高、生物安全性好等优异性能，在伤口修复、生理信号监测、光热治疗等多个领域得到了广泛应用，并成为超级电容器电极材料的研究热点。基于此，研究人员提出了一种完全可生物降解的柔性超级电容器（BFSC），旨在解决可生物降解电子设备的电源问题，推动生物电子学的发展。

BFSC 的设计

BFSC 的结构主要由电极、电解质和封装层组成。考虑到柔软性和生物安全性，研究人员选用了 MXene、聚（乙烯醇）（PVA）、氯化胆碱（ChCl）和聚（乳酸 - 共 - 乙醇酸）（PLGA）作为 BFSC 的构成材料。电极由 MXene 纳米片和一维（1D）细菌纤维素（BC）组成，1D BC 纳米线插入密集堆叠的 2D MXene 纳米片之间，使层间距从约 1.29nm 增加到 1.55nm，有利于水合离子的传输。电解质由 PVA 水凝胶和 ChCl 组成，ChCl 是一种具有良好生物相容性和水溶性的食用盐，ChCl/PVA 水凝胶电解质具有高盐浓度和良好生物安全性的优点，有助于降低 BFSC 的自放电。PLGA 因其可调节性、优异的生物降解性和生物相容性，以及良好的机械性能和加工灵活性，被选作 BFSC 的封装层。BFSC 在完成医疗需求后可完全生物降解，消除了设备留存的危害以及二次手术取出的风险和成本。

BFSC 具有多种潜在的应用场景，它可以调节生物体中的神经活动（刺激或抑制），MXene/BC 电极可通过激光切割成不同的尺寸和形状，如方形、叉指形和蛇形电极，使其更适用于各种体内应用场景。此外，BFSC 的良好柔软性使其能够与弯曲和动态变形的器官保持贴合和稳定的接触，这对于防止对组织造成不必要的机械损伤以及确保植入物的稳定运行至关重要。

MXene/BC 电极和 ChCl/PVA 电解质

MXene/BC 电极通过溶液共混过滤法制备。过滤后，MXene 纳米片堆叠在一起，多层结构增加了比表面积，提高了离子吸附能力。通过 X 射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱和 X 射线衍射（XRD）对其化学成分和结构进行研究，结果表明制备的 Ti₃C₂存在少量 TiO₂，MXene 电极主要含有 Ti、O 和 C 元素。BC 作为间隔物增加了 MXene 的层间距，使 d - 间距值从约 1.29nm 增加到 1.55nm，同时提高了 MXene/BC 电极的机械强度。

电解质是超级电容器的关键组成部分，影响其电化学性能。为确保植入安全，本研究采用水凝胶作为超级电容器的固体电解质，以防止液体填充物泄漏、内部短路等问题。ChCl/PVA 水凝胶电解质由 PVA、ChCl 和具有高机械强度的长 PVA 链组成，作为聚合物网络的骨架。研究表明，ChCl/PVA 水凝胶具有良好的机械性能和柔韧性，适合用于 BFSC。随着 ChCl 含量的增加，PVA 水凝胶的体积会因盐溶解产生的离子的强水合作用而增大，而冻融循环后，由于 Hofmeister 效应，水凝胶体积会减小，这有助于抑制副反应，提高超级电容器的电化学性能。

BFSC 的电化学性能研究

研究人员组装了不同厚度 MXene/BC 电极和不同盐浓度 PVA 水凝胶电解质的 BFSC，以研究其电化学性能。结果表明，使用 3m ChCl/PVA 水凝胶电解质组装的 BFSC 具有较低的自放电率和泄漏电流，其自放电性能也远优于使用其他常见生物可吸收电解质组装的 BFSC。此外，随着 MXene 电极厚度的增加，BFSC 的面积比电容和自放电性能得到改善。

对于使用 3m ChCl - PVA 水凝胶电解质和 36μm MXene/BC 电极组装的 BFSC，其循环伏安（CV）曲线在 0 - 1.2V 电压窗口内，扫描速率为 5 - 200mV/s 时呈现准矩形，表明其具有典型的双电层机制和良好的电容行为。恒电流充放电（GCD）曲线在 0.1 - 2mA/cm²范围内呈准三角形，显示出优异的倍率性能。BFSC 的循环稳定性良好，在 5mA/cm²电流密度下循环 20,000 次后，电容保持率为 93.8%，库仑效率始终超过 99%。在弯曲 180° 的稳定性测试中，BFSC 的电容损失极小。与其他已报道的可降解超级电容器相比，BFSC 具有更高的能量密度（73.1μWh/cm²）和功率密度（1.2mW/cm²），展现出明显的优势。

细胞毒性评估和生物安全性评估

生物相容性是植入式设备的基本要求之一。通过检测 L929 细胞在 MXene/BC 和 PLGA 膜表面不同时间的粘附、增殖、形态和细胞活力，评估 BFSC 的生物相容性。结果显示，L929 细胞在 MXene/BC 和 PLGA 膜表面表现出良好的粘附、铺展和增殖能力，CCK - 8 测试表明细胞在生长 3 天后活力仍保持在 96.4% 以上。此外，PLGA 和 MXene/BC 的平均溶血率显著低于国际标准化组织标准（5%），这些结果表明构成超级电容器的所有材料均具有生物相容性和无毒性，确保了植入 BFSC 的生物安全性。

将 BFSC（1×1cm）植入 Sprague - Dawley（SD）大鼠的背部皮下，评估其体内生物降解性和生物安全性。结果显示，BFSC 在体内的降解过程受生物环境影响显著，高湿度、酶活性和生化相互作用共同加速了其分解和代谢清除。在植入后的 30 天内，BFSC 保持完整结构，60 天开始明显降解，90 天 PLGA 和电解质完全代谢，120 天设备完全降解。通过电感耦合等离子体质谱（ICP - MS）测量发现，MXene 在体内降解过程中，Ti 离子在心脏、肝脏、脾脏、肾脏和血液中有少量积累，但在肺部无积累，且与对照组相比，植入 MXene 材料的器官和血液中 Li 含量无差异。组织学苏木精 - 伊红（H&E）染色和血常规检测结果表明，BFSC 的降解过程对组织和器官无毒性和不良影响。

BFSC 用于生物电刺激

研究人员将 BFSC 与电子元件结合，构建了用于治疗的电刺激系统，以展示 BFSC 作为植入式可生物降解能量设备的即时效用。该系统包括心脏起搏器和神经刺激 / 抑制装置。

在心脏起搏方面，BFSC 驱动的起搏电路在大动物模型中进行了测试。输出的电脉冲刺激能够诱导心肌收缩并调节心率，使心率从固有阶段的 90 次 / 分钟增加到有效起搏阶段的约 120 次 / 分钟，收缩压从固有阶段的约 80mmHg 显著降低到有效起搏阶段的约 60mmHg，证实了 BFSC 驱动的心脏起搏系统能够成功实现大动物规模的心脏起搏。

在神经刺激 / 抑制方面，基于 BFSC 的可生物降解电刺激系统由 BFSC、可生物降解压力开关和可生物降解柔性电路组成。该系统在大鼠模型中进行了验证，当电刺激电极放置在坐骨神经周围，通过手动按压压力开关产生脉冲信号刺激神经时，可观察到后肢抬起。此外，BFSC 还能够抑制神经信号传输，BFSC 神经支架的正电荷可在神经纤维膜表面诱导持续的负电荷，从而抑制正电荷传导，阻断神经冲动从近端到远端的传输。实验结果表明，BFSC 神经支架能够有效抑制神经信号传输，使电诱发的肌电图（EMG）相对降低 98%，显示出优异的外周神经系统抑制能力。

研究展望

本研究提出的共生可生物降解柔性超级电容器（BFSC）具有优异的生物降解性和柔软性，在大鼠皮下植入 120 天后可完全吸收。BFSC 以新兴的 MXene 材料为电容器电极，系统地展示了其生物安全性和降解性，同时具有卓越的电化学性能和稳定性，优于先前报道的可生物降解超级电容器。BFSC 能够驱动心脏起搏、脑刺激和神经刺激电路，在猪和大鼠中实现了心脏刺激和神经刺激，并能有效抑制大鼠的神经信号传输。

展望未来，研究人员设想将 BFSC 与其他可生物降解的能量收集装置（如摩擦纳米发电机或无线电力传输系统）集成，创建完全集成的可生物降解电刺激系统，这将推动自供电、长期生物电子设备的发展，进一步拓展可生物降解电子学在植入式治疗系统中的应用。