01. 研究背景

生物可降解植入式医学仿生学已从生物医学领域进入微机电系统领域。在使用时间内具有可预测性能的生物相容性和可生物降解电源是驱动这些仿生学非常需要的。车载电池可实现高能量密度和可靠运行，是一种可行的解决方案。由生物可吸收金属(如Mg、Zn、Fe、Mo及其合金)组成的原电池已被证明在可消化诊断中具有实用价值。然而，这些原电池寿命短(从几小时到几周)，阻碍了体内中期运行。可长期循环使用的植入式可充电电池是首选。生物来源的氧化还原活性生物聚合物，如黑色素色素、多巴胺和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸辅助因子，可以在体内充电。然而，由于这些内源性氧化还原有机物复杂的分子结构，缺乏对其生物降解动力学的精确控制，可能导致不良的生物反应。在这种情况下，由于电子导电性差和离子扩散缓慢，导致不利的速率能力和循环稳定性，无机插层材料也具有挑战性因此，有必要采用替代方法来扩展具有所需电化学性能(例如高能量密度、速率容量和循环稳定性)和生理条件下可编程可生物降解的生物相容性储能材料工具箱导电聚合物已经证明了作为高倍率电极材料的适用性，因为它具有假电容性为主的储能性能。它们通过分子设计提供可调的电荷存储、电子和降解特性然而，赋予导电聚合物充分的生物降解和电活性是一项艰巨的挑战，因为有限的可切割键可以沿着骨干保持扩展的共轭通过与可生物降解的聚酯、聚酰胺和聚酸酐共混或共价键形成的聚合物复合材料只能被分解，留下活性成分留在体内。这些物质只能在没有完全化学分解的情况下分解，留下有效成分留在体内。为了消除未降解活性成分引起的不期望的免疫反应，Bao和同事设计了完全可生物降解的瞬态电子半导体聚合物，通过将可逆的酸不稳定亚胺键结合到二酮吡咯基聚合物中，其中亚胺水解导致聚合物主链断裂。他们进一步研究了侧链对不同溶剂降解寿命的影响然而，沿着聚合物主链的水解解理化学在保持共轭长度(即能量存储容量)方面代表了一个特殊的挑战。此外，这些共轭聚合物的低导电性显著限制了其在电池中的实际应用，在电池中，快速可充电性和高循环稳定性是非常可取的。实现可生物降解充电电池迫切需要一种合理定制的、完全生物降解、高循环稳定性的可生物降解导电聚合物。

02. 研究内容

我实验室卢革宇教授团队制造了一种环保、可降解、尺寸可调的固态可降解植入式电池，为开发具有预定降解特性和高储能能力的可植入导电聚合物提供了一定的借鉴意义，相关工作以“A biocompatible and fully erodible conducting polymer enables implanted rechargeable Zn batteries”为题发表在国际著名期刊Chemical Science上。

03.研究要点

首先，在生物可降解电池方面，针对共轭聚合物在载流子传输（高规整度共轭链段）和生物降解性（高反应活性共轭链段）难以兼顾的问题，通过分子设计合成了一种完全可降解的导电高分子，将具有赝电容储能特性的PEDOT作为共轭主链，具有逐步水解特性的羧基官能团作为聚合物侧链；组装的锌离子电池展现出较高的倍率性能，在大鼠体内和体外缓冲溶液中均可被完全降解。同时，申请人将生物相容的离子液体掺杂进入丝蛋白水溶液，得到了高离子导电性的可降解凝胶电解质，组装的微型镁空气电池在蛋白酶溶液中45天即可被完全降解。 其次，申请人对全聚合物电池体系进行了探索；从生物启发的分子设计工程出发，合成了含有儿茶酚基团侧基的PEDOT衍生物，实现了大倍率和高输出电压；对聚合物电极进行了非原位谱学表征，结合理论计算阐明储能机制，探索了生物内源性氧化还原分子在生物相容电池的应用前景。

上述工作发表后受到了广泛关注：在新闻媒体领域，美国化学会ACS News对植入式电池亮点评论；在同行评价中，东北师范大学吴兴隆教授在EnergyChem 2022, 4: 100092撰文评论，原文 “In order to further expand the carbonyl compounds suitable for the positive electrode materials of APBs system, the team of professor Jia is inspired by tea phenol molecules”；苏黎世联邦理工大学Markus Niederberger教授将我们的工作作为可降解电池代表，在ACS Central Science 2021, 7: 231中予以图文重点介绍，原文 “Jia et al. utilized a bioresorbable Mg alloy anode and Au nanoparticles as the cathode to demonstrate a biodegradable Mg-air battery, whose enzymatic degradation was observed in buffered protease solution at 37 °C”。

04.结论

在这项工作中，我们合成了一种用于植入式可充电电池的完全可侵蚀导电聚合物。一个可水解的羧基的侧链工程使功能化的PEDOT在PBS溶液中培养七天后具有理想的完全侵蚀性，同时保持了一个扩展的π-共轭骨架。该聚合物在PBS中暴露五天后仍能保持其电导率。电聚合的薄膜促进了hADSCs的粘附和增殖，而在降解的产品中没有引起细胞毒性。可充电的锌电池表现出出色的循环稳定性。对Zn电池的皮下植入的评估显示了完全的生物降解，并且没有检测到其降解产物的毒性作用。这种可侵蚀的PEDOT未来可能会被用作电刺激细胞的临时支架和瞬时的电子组织界面。

通过向硫酸锌水溶液中添加明胶制备成水凝胶，制备出了明胶电解质薄膜，成功地制造了一种环保、可降解、尺寸可调的固态可降解植入式电池。利用PVA制备的封装膜可以调控该电池的寿命，在此基础上组装的电池器件具有优异的电化学性能，在0.25A g-1的条件下实现了31.8mAh g-1超高容量，且经4000个循环周期后的比容量几乎无衰减，此外，所制备可降解植入式电池在PBS中经7天可完全降解或崩解，总之，所制备电池可促进可降解植入电池的实际应用，并将加速可降解储能器件在人类生活中应用的进程。

05.参考文献

Xiaoteng Jia; Xuenan Ma; Li Zhao et al. A biocompatible and fully erodible conducting polymer enables implanted rechargeable Zn batteries. Chemical

DOI：10.1039/d2sc06342e

原文链接：https://doi.org/10.1039/D2SC06342E