植入式医疗器械用电池的进展

VIP免费
多多猪 2025-09-15 0 496.69KB 4 页
侵权投诉
Chinese Journal of Medical Instrumentation 2018年42卷第4期
中 国 医 疗 器 械 杂 志
综 合 评 述
文章编号：1671-7104(2018)04-0272-04
植入式医疗器械用电池的进展
【作 者】房艺¹,侯文博，周文秀，张海军1.2
1生物医用材料改性技术国家地方联合工程实验室，德州市，251100
2同济大学医学院介入血管研究所，上海市，200072
【摘 要】近年来，有源植入式医疗器械成为医疗器械行业的热点，电池技术受到材料以及技术上的制约，在可靠性、容量以及寿
命上仍然存在很多问题。该文在此背景下综述了有源植入式医疗器械所用电池的发展历史和使用现状，对锌汞电池、锂
电池的发展以及存在的问题进行了相应的阐述，并介绍了柔性电池和生物能电池等新型电池技术。未来有源植入式医疗
器械电池必然向着微型化、柔性化、可充电的方向发展。
【关 键 词】 电池；植入式医疗器械；锂电池；柔性电池；生物能
【中图分类号】TH789;TM910
【文献标志码】Adoi:10.3969/j.issn.1671-7104.2018.04.012
Advances in Implantable Medical Device Battery
【Writers 】FANG Yi¹,HOU Wenbo¹,ZHOU Wenxiu¹,ZHANG Haijun1.2
1 National United Engineering Laboratory for Biomedical Material Modification,Dezhou,251100
2 Institute of Vascular Intervention,Medical College of Tongji University,Shanghai,200072
【Abstract 】In recent years,active implantable medical devices become a hot spot of the medical device industry.There are sil
many problems in terms of reliability,capacity and life expectancy because of the subject to material and technical
constraints.This review summarizes the development history and current status of the batteries used in active
implantable medical devices,and describes the development and problems of zinc-mercury batteries and lithium
batteries.The flexible batteries and bio-energy battery and other new battery technology are also expounded.The
future of active implanted medical device battery is bound to miniaturization,flexibility,rechargeable direction.
【Key words】battery,implantable medica device,lithium battery,flexible battery,bioenergy
0引 言
随着现代医疗的迅速发展，有源植入式医疗器械
已经被广泛应用于治疗各式的疾病。主要包括植入式
心脏起搏器和除颤器、脑起搏器、脊髓刺激器、迷走
神经刺激器、骶神经刺激器、膈神经刺激器、药物释
放装置、骨骼生长刺激器、全人工心脏、人工耳蜗、
药物泵等1。从目前看，植入式医疗设备的市场前景
非常可观，以植入式心脏起搏器为例，全世界每年
有超过500000个心脏起搏器被植入人体12,2015年
我国植入医疗器械行业市场规模达到480亿元³。然
而对于有源植入式医疗器械而言，如何实现装置的
安全高效、长期稳定的电能供给，是其发展道路上
必须面对的关键问题。本文主要介绍了有源植入式
医疗器械所用电池的发展历程和使用现状，并对新
型电池技术进行了阐述。
1锌汞电池
自从1960年，Wilson发明了世界上第一台植入式
心脏起搏器以来4,锌汞电池由于其很高的能量密度
和较为稳定的电压被广泛应用于心脏起搏器当中。
收稿日期：2018-01-03
作者简介：房艺，E-mail:1144101838@qq.com
但它的缺点也很明显：电池中的化学反应会产生氢
气5,致使锌汞电池无法做到完全密封，液体容易渗
入起搏器造成短路故障。同时，锌汞电池电量耗尽时
电压变化小，电池耗尽指示困难，这些问题使得锌汞
电池最终被锂电池所取代。
2锂电池
锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料的电
池。锂碘电池、锂二氧化锰电池以及锂氟化碳电池是
使用较为广泛的锂电池。它们都具有锂金属负极的自
放电率低，电压平缓的特点6,同时也因为正极材料
的不同，它们各有各的优势和弊端。
2.1 锂碘电池
锂碘电池具有接近1.0 W·h/cm³ 的能量密度，2.8
V的开路电压，以及100μA的放电电流7。锂碘电池
凭借碘化锂隔膜可以自动愈合8,凭安全性高、电池
电量指示方便、化学性能好等优点成功取代锌汞电
池，成为消耗电流较低的有源植入式医疗器械的主要
应用电池。当然，锂碘电池也存在碘稳定性较差、碘
的离子动力学性能差、电流较低的缺点，无法满足大
电流或高功率的有源植入式医疗器械的供电要求 。
272
万方数据
Chinese Journal of Medical Instrumentation
中 国 医 疗 器 械 杂 志
2018年42卷第4期
综 合 评 述
率，改变表面活性，改善材料的放电容量等电化学性
能。包覆很薄的聚吡咯可以大幅提高氟化碳的倍率放
电性能，是比较理想的改性方法。这为未来锂/氟化
碳电池的发展提供了重要实验基础和研究方向。
阴极屏
阳极屏
隔膜 隔膜 隔膜 隔膜 隔膜 隔膜
CFx CFx
锂SVo svo 锂SVo sVO 锂
阳极屏
阳极屏
阴极屏
n=0,1,2,3,4,5,ete
图 1 三 明 治 层 叠 结 构15
Fig.1 Sandwich stack structure
2.4锂离子电池的发展
目前，植入式医疗设备受限于一次电池寿命限
制，需要定期进行手术更换电池，这给患者带来极大
地痛苦，二次电池可以很好地解决这一问题。作为新
一代的绿色可再充电电池，锂离子电池因为其更加良
好的便携性，更高的能量密度，更长的循环寿命和非
记忆效应17等众多优点，被引入到植入式医疗器械应
用当中。
锂离子电池通常由碳质阳极和锂金属氧化物阴
极组成，两种电极材料都具有可逆插入锂离子的能
力18]。和一次电池相比而言，锂离子可充电电池拥有
更高的电压，更小的尺寸。虽然在能量密度上逊色于
一次电池，但可以几百上千次充电循环，大大延长了
电池的使用寿命。随着无线充电技术的不断发展，锂
离子电池优越性会被放大，从而更多地使用在植入式
医疗器械当中。
3新型电池技术
现有的锂电池因其能量密度、安全性、可靠性、
体积、可监测性等优越的综合性，已成为目前适用
范围最广的植入式医疗器械电池。随着医疗技术的进
步，医疗人员开始寻求更加灵活小巧的治疗方式，这
对电池技术提出了更高的要求。新型电池技术也在不
断地提出，更加灵活、便捷的能量存储设备越来越受
到人们的重视。
3.1 柔性电池
柔性电池本身具有柔性，具有轻薄、可折叠、可
273
万方数据
Chinese Journal of Medical Instrumentation 2 0 1 8 年 4 2 卷 第 4 期
中 国 医 疗 器 械 杂 志
综 合 评 述
弯曲的特点[9]。柔性电池的安装方式更加灵活，可为
医疗器械的内部电路腾出更多空间，使医疗设备的功
能得到拓展。近年来，各种各样的柔性电池都被纷纷
提出。Balogun 等20合成了一种无粘合剂的Fe₂N纳米
粒子 (Fe₂N NPs) 作为锂离子二次电池的阳极，以此
为基础提出了一种具有高化学性能的柔性锂离子二次
电池。该电池实现了高达3200 W/kg 的高功率密度和
688 W ·h/kg的高能量密度，同时具有较好循环稳定性
和容量保持率。这种电池的提出有利于推动柔性电池
的高性能化，从而适应愈加严格的医疗器械需求。
辉能科技研发出世界上首款锂陶瓷电池，拥有极
佳的动态弯曲与卷曲能力，厚度仅仅只有0.38 mm 。
电池采用了不可燃的固体陶瓷电解质，安全性能非常
好。这种电池可以灵活地安置在植入式医疗器械内
部，满足供电要求的同时，提高植入式医疗器械内部
结构利用率，为植入式医疗器械电路内容的拓展提供
了新的可能。
但都因为几乎共同的问题，柔性化的锂电池大都
被植入式医疗器械拒之门外：他们使用强酸或有毒、
易燃的有机溶剂作为电解质，一旦电解液泄露，具有
很大的安全隐患。在此背景下， Guo 等2提出具有高
安全性的多功能柔性含水钠离子电池(SIB),Nao.44
MnO₂ 作为阴极，纳米尺寸的NaTi₂(PO₄)₃/C 作为阳
极 ，Na 盐作为电解质，具有高柔韧性和良好的电化
学性能，虽然该电池在电压方面略显不足，但已经很
好地解决了有害电解质带来的安全隐患问题。
3.2 酶生物燃料电池
植入式医疗器械一直受到电池寿命的制约，难以
持久可靠地为病人提供良好的服务。生物燃料电池开
始逐渐受到研究人员的重视。酶生物燃料电池是以有
机物为燃料，直接或间接利用酶作为催化剂的一类特
殊的燃料电池。目前可应用于人体的主要为葡萄糖燃
料电池，具有选择性好、催化效率高等优点。
植入式葡萄糖燃料电池直接利用血液和组织液
间的葡萄糖进行发电，MacVittie等22研究了基于葡萄
糖脱氢酶改性的阳极和漆酶改性的阴极组成的生物燃
料电池系统，他们分别测试了该系统在龙虾体内和模
拟血液循环系统中的电化学性能，都取得了很好的效
果。在进一步的测试研究中，如图2所示，5个该系
统串联，初步证明该电池系统足以稳定地驱动St Jude
Medical 起搏器5 h(没有进行更长时间的稳定性测
试),产生预期的脉冲，展示了该系统未来在生物医
学应用上的可行性，为葡萄糖燃料电池提供了一种新
的实施方案。
(a) 心脏起搏器 (b) 五 个 生 物 燃 料 电 池 串 联 连 接
(a)Pacemaker (b)Five biofuel cells connected in series electrically
and used for powering the pacemaker
(c) 产 生 的 单 个 脉 冲 (d) 示 波 器 记 录 的 信 号
(c)Single pulse (d)The electrical signals recorded
by an oscilloscope
图 2 血 清 溶 液 中 五 对 生 物 燃 料 电 池 组 用 于 起 搏 器 供 电
Fig.2 The biofuel cell battery composed of five pairs in
a serum solution for powering a pacemaker
2013年，Cosnierl²³ 在老鼠体内植入了一种基于
压缩多壁碳纳米管电极的新型生物燃料电池，如图3
所示。与传统的电极表面改性不同，这种生物燃料电
池通过压缩的多壁碳纳米管和酶来作为生物电极。体
外实验中，多壁碳纳米管和酶之间的直接电子转移使
电池电压达到0.95 V, 功率输出达到1.3 mW/cm² 。由
此可见，葡萄糖生物燃料电池已经可以为植入式生物
传感器、尿道括约肌等小型电子设备提供足够的电
量。生物燃料电池未来有可能成为锂电池的完美替代
物 品 。
插头
连接器
导线
生物燃料电池
ajg 佰
CNT/漆酶
电级
碳糊 碳糊
硅胶管 1
线涉析隔膜 线
CNTIGOX
电级
渗析袋
图 3 老 鼠 体 内 基 于 压 缩 多 壁 碳 纳 米 管 电 极 的 新 型 生 物 燃 料 电 池
Fig.3 A new biofuel cell design based on compressed
MWCNT macro electrodes inside a rat
274
万方数据

标签： #医疗器械 #植入式医疗器 #电池

摘要：

ChineseJournalofMedicalInstrumentation2018年42卷第4期中国医疗器械杂志综合评述文章编号：1671-7104(2018)04-0272-04植入式医疗器械用电池的进展【作者】房艺¹,侯文博，周文秀，张海军1.21生物医用材料改性技术国家地方联合工程实验室，德州市，2511002同济大学医学院介入血管研究所，上海市，200072【摘要】近年来，有源植入式医疗器械成为医疗器械行业的热点，电池技术受到材料以及技术上的制约，在可靠性、容量以及寿命上仍然存在很多问题。该文在此背景下综述了有源植入式医疗器械所用电池的发展历史和使用现状，对锌汞电池、锂电池的发展以及...

展开>> 收起<<
植入式医疗器械用电池的进展.pdf

共4页,预览4页

还剩页未读， 继续阅读

声明：如果您的权利被侵害，请联系我们的进行举报。

相关推荐

更多
立即下载
作者：多多猪 分类：实用文档 属性：4 页 大小：496.69KB 格式：PDF 时间：2025-09-15

相关内容

更多

热门标签

医疗器械 管理 验证 GB 指南 注册 检验 CCAA 培训 六西格玛
/ 4
评分 收藏
分享
立即下载 VIP免费下载
客服
关注