Невидимый двигатель: как литий-ионная технология революционизирует тонкие батареи для медицинских имплантатов

Введение: Критическая роль власти в современных медицинских имплантатах

Медицинские имплантаты превратились из научной фантастики в реальность, меняющую жизнь. Кардиостимуляторы регулируют сердцебиение, нейростимуляторы облегчают хроническую боль, а кохлеарные имплантаты восстанавливают слух. За этими невероятными достижениями стоит фундаментальная задача: обеспечить надежное и долговечное питание в условиях жестких ограничений человеческого тела. По мере того, как имплантируемые устройства становятся все меньше, умнее и сложнее, возрастает потребность в столь же совершенных источниках питания. Традиционные батареи, хотя и являются функциональными, часто представляют собой узкое место в устройствах миниатюризация и долголетие. Эта статья посвящена миру Тонкие литий-ионные батареи для медицинских имплантатов - революционная технология, позволяющая создать следующее поколение имплантируемых решений для здравоохранения. Мы специально рассмотрим такие достижения, как Тонкопленочный литий-ионный (TFLB) и возникающие полутвердая батарея (SSSB) технологии, их применение, проблемы и захватывающее будущее, которое они обеспечивают.

Растущая потребность: Почему обычные батареи не справляются со своей задачей

Эволюция в сторону миниатюрных и более умных имплантатов

Траектория развития медицинских имплантатов очевидна: меньше, умнее и долговечнее. Первые кардиостимуляторы были громоздкими; сегодня такие устройства, как бессвинцовые кардиостимуляторы, значительно меньше [1]. Нейростимуляторы, биосенсоры и системы доставки лекарств все больше функциональности помещаются во все более компактные корпуса. Этот миниатюризация Тенденция повышает комфорт пациента, позволяет проводить менее инвазивные хирургические процедуры и открывает двери для новых терапевтических возможностей. Кроме того, пациенты и врачи хотят, чтобы имплантаты служили дольше, сводя к минимуму необходимость в дорогостоящих и обременительных операциях по замене только из-за разрядки батареи. Ожидания смещаются в сторону устройств, которые в идеале должны работать в течение длительного времени или иметь удобную возможность подзарядки.

Ограничения традиционных химикатов и форм-факторов аккумуляторов

Несмотря на свою надежность, традиционные батареи, используемые в имплантатах (часто основанные на первичных литиевых химикатах, таких как литий-йод или монофторид лития-углерода), сталкиваются с присущими им ограничениями. Их стандартные цилиндрические или призматические формы часто определяют общий размер и жесткость имплантата, что может вызвать дискомфорт или осложнения у пациента. Конечный Срок службы батареиособенно для энергоемких устройств, остается проблемой [2]. Хотя плотность энергии улучшилась, традиционные форм-факторы могут ограничивать общее количество энергии, хранимой в очень маленьком объеме устройства. Безопасность, несмотря на то, что в целом она высока при использовании известных химикатов, остается в центре внимания, особенно в отношении потенциальных рисков, связанных с жидкими электролитами, если герметичность будет нарушена.

Введите тонкую литий-ионную батарею: Смена парадигмы в имплантируемом питании

Определение понятия "тонкий": Характеристики и форм-факторы

В контексте медицинских имплантатов термин "Тонкая батарея" обычно относится к источникам питания, толщина которых измеряется миллиметрами или даже субмиллиметрами (<1 мм). В отличие от громоздких цилиндрических элементов, эти Батареи на основе литий-ионных элементов могут быть выполнены в виде плоских листов, иногда даже обладающих гибкостью. Представьте себе батарею, тонкую, как несколько листов бумаги, способную прилегать к изогнутым поверхностям тела или помещаться в пространства, ранее непригодные для хранения энергии. Такой низкопрофильный дизайн - это радикальный отход от традиционных ограничений.

Ключевые преимущества, способствующие принятию

Принятие Ультратонкий и гибкие литий-ионные батареи обусловлена неоспоримыми преимуществами. Самое очевидное из них - это возможность значительно миниатюризация имплантируемых устройств, что приведет к менее инвазивным процедурам и улучшит комфорт пациента. Для инженеров эти батареи открывают беспрецедентную свободу дизайна, позволяя источнику питания более органично вписаться в форму и функции устройства. Помимо размера, особые тонкие литий-ионные технологии, такие как тонкопленочный полупроводник и полутвердые батареипредлагают потенциальные улучшения в объемном плотность энергии (больше мощности на той же площади) и повышенный уровень безопасности за счет уменьшения или исключения свободных жидких электролитов [3]. Такое сочетание факторов представляет собой значительный скачок вперед для имплантируемые решения для питания.

Основные технологии, позволяющие создавать тонкие имплантируемые литий-ионные батареи

Несколько ключевых технологий на основе литий-иона лежат в основе разработки тонких батарей, подходящих для сложных условий человеческого тела.

Тонкопленочная литий-ионная (TFLB) технология

Тонкопленочные батареи часто изготавливаются с использованием технологий, заимствованных из полупроводниковой промышленности, таких как напыление или вакуумное осаждение. На подложку последовательно наносятся очень тонкие слои (толщиной в микроны или нанометры) материала анода, материала катода и, что очень важно, твердого электролита. Тонкопленочный литий-ионный батареи с помощью твердые электролиты такие как оксинитрид фосфора лития (LiPON), являются особенно перспективными [4].

• Преимущества: Потенциально очень высокая объемная плотность энергии, превосходный срок службы (десятки тысяч циклов для перезаряжаемых версий), неотъемлемая безопасность благодаря твердому электролиту, а также возможность изготовления очень тонких изделий.
• Задачи: Сложные и потенциально дорогие производственные процессы, достижение высокой производительности требует большей площади поверхности или относительно более толстой пленки, а также потенциально более высоких первоначальных затрат по сравнению с традиционными технологиями [5].

Технология полутвердых аккумуляторов (SSSB)

Полутвердые батареи представляют собой категорию, в которой используются гелевые полимерные электролиты (GPE) или гибридные твердые электролиты вместо чисто жидких электролитов, используемых в традиционных литий-ионных батареях [6]. Хотя эти электролиты и не являются полностью твердыми, они значительно уменьшают количество свободно текущей жидкости.

• Ключевые преимущества: По сравнению с жидкими электролитами полутвердое состояние повышает безопасность за счет минимизации или полного исключения легковоспламеняющихся свободных жидкостей. Они часто проще в обработке, чем полностью твердотельные батареи, и могут сохранять некоторую степень гибкости, что делает их подходящими для тонких, гнущихся конструкций [7]. GPE могут эффективно смачивать электроды, помогая поддерживать низкое межфазное сопротивление.
• Состояние и проблемы: Технология SSSB является активной областью исследований, направленных на обеспечение баланса между безопасностью, плотностью энергии, ионной проводимостью и механической гибкостью. Обеспечение долгосрочной стабильности и совместимости в среде имплантатов - ключевые задачи [8]. Их потенциал в медицинских приложениях очень велик, особенно там, где требуется гибкость и повышенная безопасность.

Инновации в области гибких и растягивающихся литий-ионных аккумуляторов

Чтобы действительно соответствовать тканям тела или создавать новые конструкции имплантатов, батареи должны сгибаться или даже растягиваться. Гибкие литий-ионные батареи достигаются благодаря прорывам в материаловедении и продуманной инженерии. Это может включать в себя использование гибких подложек, разработку межсоединений в виде змеевидных узоров, позволяющих растягиваться, или разработку растягивающихся по своей природе материалов для электродов и электролитов [9]. Это очень важно для таких приложений, как "умные" контактные линзы, конформные биосенсоры или имплантаты, разработанные для плавной интеграции в движущиеся ткани.

Биосовместимость и герметичность: Обеспечение безопасности

Независимо от внутреннего химического состава или форм-фактора, любой компонент, находящийся внутри тела, должен быть безопасным. Биосовместимые материалы которые не вызывают побочных реакций на тканях, необходимы для корпуса батареи или любых частей, обращенных к внешним поверхностям, и соответствуют таким стандартам, как ISO 10993 [10]. Не менее важным является Герметичное уплотнение. Батарея должна быть идеально герметичной, обычно в титановом или керамическом корпусе, сваренном лазером, чтобы предотвратить любую утечку материалов батареи в организм и защитить чувствительный внутренний химический состав от коррозийных жидкостей. Такая надежная герметизация является обязательным условием долгосрочной безопасности имплантата [11].

Powering Breakthroughs: Основные области применения тонких литий-ионных батарей в имплантатах

Уникальные характеристики тонких литий-ионных батарей открывают возможности для инноваций в широком спектре применений медицинских имплантатов.

Устройства для управления сердечным ритмом (CRM)

Тонкие батареи играют важную роль в разработке более компактных, менее инвазивных кардиостимуляторов и имплантируемых кардиовертеров-дефибрилляторов (ИКД). Бессвинцовые кардиостимуляторы, имплантируемые непосредственно в сердце, являются ярким примером того, что стало возможным благодаря миниатюрные литий-ионные батареи [12]. Будущие CRM-устройства могут использовать тонкие, потенциально гибкие батареи для дальнейшего уменьшения размера, улучшения соответствия и, возможно, расширения батарея кардиостимулятора срок службы или включить более сложные функции мониторинга.

Устройства для нейромодуляции

Такие устройства, как стимуляторы спинного мозга (SCS) для лечения хронической боли, стимуляторы глубокого мозга (DBS) для лечения болезни Паркинсона и стимуляторы блуждающего нерва (VNS) для лечения эпилепсии, часто требуют значительной мощности. Тонкие перезаряжаемые литий-ионные батареи (включая полутвердотельные конструкции для повышения безопасности) позволяют создавать имплантируемые генераторы импульсов (ИПГ) меньших размеров, уменьшая дискомфорт пациента и размер хирургического кармана [13]. Более высокий потенциал плотности энергии полутвердое состояние или Тонкопленочный Химические составы могут привести к увеличению интервалов между зарядами или уменьшению общего объема батарея нейростимулятора Системы.

Биосенсоры и умные имплантаты

Возвышение Умные имплантаты - Устройства, предназначенные для длительного мониторинга физиологических параметров (например, глюкозы, давления, биомаркеров), в значительной степени зависят от миниатюрного и надежного питания. Тонкие литий-ионные батареи необходимы для питания этих биосенсорные батареи, обеспечивая сбор данных и беспроводную передачу без значительного увеличения объема [14]. Представьте себе имплантируемые датчики, предоставляющие непрерывные данные о состоянии здоровья и незаметно работающие в течение многих лет.

Передовые системы доставки лекарств

Имплантируемые лекарственные насосы доставляют лекарства с высокой точностью непосредственно туда, где это необходимо. Этим системам требуется надежное и долговременное питание для точной работы насосов и управляющей электроники. Тонкие литий-ионные батареи помогут уменьшить размер этих имплантатов, делая их подходящими для большего количества пациентов и анатомических мест, обеспечивая постоянную доставка лекарств питается от компактного источника.

Сенсорные приспособления

Такие устройства, как кохлеарные имплантаты и имплантаты сетчатки глаза, восстанавливают органы чувств, но предъявляют высокие требования к питанию в очень маленьких пространствах вблизи хрупких структур. Технологии тонких и микролитиево-ионных батарей имеют решающее значение для разработки более компактных и удобных процессоров и компонентов имплантатов, улучшения пользовательского опыта и потенциальной возможности более сложной обработки сигналов с помощью адекватных мощность кохлеарного импланта.

Преодолевая трудности: Препятствия при разработке и внедрении

Несмотря на огромный потенциал, для широкого внедрения тонких литий-ионных батарей в медицинские имплантаты необходимо решить несколько проблем.

Баланс между плотностью энергии и миниатюрностью

Фундаментальная физика аккумуляторов подразумевает прямой компромисс: меньший объем обычно означает меньшую емкость (плотность энергии). Разработка новых материалов и конструкций ячеек, позволяющих максимально эффективно накапливать энергию в ультратонких профилях, остается одним из ключевых направлений исследований [15].

Обеспечение долгосрочной надежности и безопасности In Vivo

Имплантаты должны безупречно функционировать в течение многих лет, часто десятилетий, в коррозионной и динамичной среде человеческого тела. Доказательство долгосрочности надежность и Безопасность аккумуляторов Новые тонкие литий-ионные технологии (включая полутвердотельные варианты) требуют обширных и тщательных испытаний, включая ускоренное старение и анализ отказов, значительно превышающих стандарты бытовой электроники [16].

Масштабируемость производства и экономическая эффективность

Многие передовые технологии производства тонких батарей (например, вакуумное напыление для TFLB) могут быть сложными и дорогими. Достижение крупносерийного и высокопроизводительного производства при разумных затратах стоимость изготовления имеет решающее значение для того, чтобы сделать эти технологии доступными и экономически целесообразными для более широкого применения в медицине.

Пути регулирования и строгие процессы утверждения

Медицинские имплантаты, особенно устройства Класса III, работающие от новых батарей, сталкиваются с жесткими требованиями одобрение регулирующих органов процессы (например, предварительное одобрение FDA - PMA). Демонстрация безопасности и эффективности требует значительных доклинических и клинических данных, обширной документации и соблюдения сложных требований, что значительно увеличивает время и стоимость разработки [17].

Горизонт: Будущие тенденции и инновации в области имплантируемого питания

Будущее имплантируемого питания динамично, и в нем наметилось несколько интересных тенденций.

Интеграция с системой сбора энергии

Исследователи изучают способы дополнить заряд батареи, используя сбор энергии Методы сбора урожая - преобразование собственной энергии тела (движения с помощью пьезоэлектрических материалов, тепла с помощью термоэлектрических генераторов или даже химической энергии глюкозы) в электричество [18]. Несмотря на то, что одного сбора энергии, скорее всего, недостаточно для полноценного питания сложных имплантатов, он может значительно продлить срок службы батарей или обеспечить работу сенсорных сетей с ультранизким энергопотреблением.

Достижения в области беспроводной зарядки

Для перезаряжаемых имплантатов улучшение беспроводная зарядка Эффективность, скорость и удобство являются ключевыми. Разработки сосредоточены на более эффективной индуктивной связи, потенциально меньших внешних зарядных устройствах и изучении технологий резонансной или радиочастотной зарядки с большим радиусом действия, тщательно балансируя между эффективностью и безопасностью (например, нагрев тканей) [19].

Биоразлагаемые и переходные батареи

Для временных диагностических или терапевтических имплантатов (например, мониторинг после операции, временная стимуляция), Биоразлагаемые батареи разрабатываются. Эти источники питания функционируют в течение необходимого периода времени, а затем безопасно растворяются в организме, избавляя от необходимости проводить операцию по удалению [20].

Химические технологии и материалы нового поколения

Исследования продолжаются и за пределами литий-ионных, изучая батареи нового поколения с потенциально более высокой плотностью энергии или повышенным уровнем безопасности. Несмотря на то, что проблемы остаются, особенно в области биосовместимости и долгосрочной стабильности при имплантации, прорывы в материаловедении могут открыть путь к дальнейшим улучшениям.

Заключение: Тонкие литий-ионные батареи - питание для более здорового, более подключенного будущего

Тонкие литий-ионные батареи - это не просто уменьшенные источники энергии; это критически важные помощники для будущего медицинских имплантатов. Преодолевая ограничения традиционных батарей, они способствуют миниатюризации устройств, повышают комфорт пациента, увеличивают срок службы и открывают совершенно новые терапевтические и диагностические возможности, а технология полутвердого состояния предлагает многообещающий путь к повышению безопасности.

Ищете ультратонкие, высокопроизводительные батарейные решения для медицинских устройств? Мы предлагаем индивидуальные разработки, которые подойдут даже для самых компактных приложений, обеспечивая надежность и эффективность там, где это важнее всего.

Узнайте больше на сайте landazzle.com или свяжитесь с нами по адресу info@landazzle.com.

Часто задаваемые вопросы (FAQs)

1. Вопрос 1: Как долго обычно служат тонкие литий-ионные батареи для медицинских имплантатов?
   • A: Срок службы сильно варьируется (цель - >10 лет для первичных элементов, перезарядка зависит от использования), на него влияют тип батареи, размер, потребности устройства в мощности и циклы перезарядки. Для маломощных первичных приложений часто ставится цель 10+ лет.
2. Вопрос 2: Безопасны ли тонкие литий-ионные батареи для использования внутри человеческого тела?
   • A: Да, при правильном проектировании и производстве. Безопасность имеет первостепенное значение, при этом биосовместимые материалы (ISO 10993), Герметичное уплотнение (титановый/керамический корпус) и тщательное тестирование. Твердотельные и полутвердотельные конструкции еще больше повышают безопасность, уменьшая или исключая жидкие электролиты [7, 11].
3. Вопрос 3: Каковы основные преимущества тонких литий-ионных батарей перед традиционными для имплантатов?
   • A: Основные преимущества включают в себя создание более компактных/менее инвазивных устройств, повышение комфорта пациента (меньшая масса, потенциальная гибкость), свободу дизайна, а также потенциально более высокую плотность энергии и безопасность (особенно твердотельные/полутвердотельные типы) [3].
4. Вопрос 4: В каких типах медицинских имплантатов используются тонкие литий-ионные батареи?
   • A: Все чаще используются или исследуются для кардиостимуляторов (особенно бессвинцовых), нейростимуляторов (SCS, DBS), имплантируемых биосенсоров, лекарственных насосов, кохлеарных имплантатов и новых интеллектуальных диагностических/терапевтических имплантатов [12, 13, 14].
5. Вопрос 5: Можно ли перезаряжать тонкие имплантируемые литий-ионные батареи?
   • A: Некоторые из них являются первичными (неперезаряжаемыми) для длительного использования с низким энергопотреблением. Другие - вторичные (перезаряжаемые, часто с помощью беспроводной зарядки) для более мощных устройств, рассчитанные на весь срок службы имплантата с периодической подзарядкой [13].
6. В6: В чем разница между тонкопленочными и полутвердыми литиевыми батареями для имплантатов?
   • A: Тонкопленочные батареи (TFLB) обычно используют методы осаждения для создания очень тонких слоев, включая твердый электролит (например, LiPON) [4]. В полутвердых батареях (SSSB) используются гелевые полимеры или гибридные электролиты, что позволяет снизить содержание жидкости для обеспечения безопасности при потенциальной гибкости, и зачастую их легче обрабатывать, чем TFLB [6, 7].
7. Q7: Насколько маленькими могут быть эти батарейки?
   • A: Толщина может составлять менее 1 мм, а площадь основания - всего несколько квадратных миллиметров. Размер напрямую противопоставляется энергоемкости; меньший объем означает меньший потенциал для хранения энергии [15].

---

Ссылки

(Оговорка: В следующем списке использованы ссылки-заполнители из предыдущего шага для структурирования. Для окончательного варианта статьи их следует заменить/проверять конкретными, релевантными и актуальными англоязычными публикациями, выявленными в ходе тщательного поиска литературы. Очень важно убедиться, что ссылки на доступ (DOI) верны).

1. Стоянов, Х., и др. Тенденции миниатюризации в имплантируемых медицинских устройствах. Микромашины. 2021;12(3):278. https://doi.org/10.3390/mi12030278
2. Такеучи, Е.С., и др. Батареи для имплантируемых биомедицинских устройств. Бюллетень MRS. 2010;35(2):103-108. https://doi.org/10.1557/mrs2010.588 (Пример более ранней основополагающей ссылки)
3. Лю, В., и др. Гибкие и растягивающиеся литиевые батареи: Возможности и проблемы. Передовые материалы. 2018;30(19):1704679. https://doi.org/10.1002/adma.201704679
4. Бейтс, Дж.Б., и др. Тонкопленочные литиевые и литий-ионные батареи. Твердотельная ионика. 2000;135(1-4):33-45. https://doi.org/10.1016/S0167-2738(00)00327-1 (Классическая основополагающая статья)
5. Афшар, М.Т., и др. Тонкопленочные твердотельные литий-ионные батареи для миниатюрных систем: Обзор. Журнал об источниках энергии. 2021;483:228998. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228998
6. Лианг, Дж., и др. Гель-полимерные электролиты для литий-ионных батарей: Основы, стратегии и перспективы. Материалы для хранения энергии. 2020;24:209-242. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2019.08.026
7. Ван, Дж. и др. Гибкие и растягивающиеся батареи: Последние достижения и будущие перспективы. Отзывы химиков. 2021;121(6):3788-3843. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c01090 (Покрытия гибкие SSSB)
8. Чжао, К., и др. Обзор твердых электролитов и твердотельных батарей. Передовые функциональные материалы. 2020;30(18):1909987. https://doi.org/10.1002/adfm.201909987 (Обсуждает проблемы)
9. Сан, Л., и др. Последние достижения в области гибких литий-ионных батарей: От разработки материалов до структурной инженерии. Материалы для хранения энергии. 2019;23:381-405. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2019.06.011
10. ISO 10993-1:2018. Биологическая оценка медицинских изделий - Часть 1: Оценка и тестирование в рамках процесса управления рисками. https://www.iso.org/standard/68936.html (Стандартная ссылка)   
11. Bock, D.C., et al. Технологии герметизации для имплантируемых медицинских устройств. Передовые технологии производства материалов. 2019;4(8):1900197. https://doi.org/10.1002/admt.201900197
12. Редди, В.Я., и др. Бессвинцовые кардиостимуляторы. Медицинский журнал Новой Англии. 2015;373(12):1125-1135. https://doi.org/10.1056/NEJMoa1507192
13. Ханнан, М.А., и др. Перезаряжаемые батареи для имплантируемых медицинских устройств: Обзор. Доступ IEEE. 2018;6:76125-76143. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2884235
14. Бандодкар, А.Дж., и др. Носимые электрохимические устройства на основе татуировок: Обзор. Электроанализ. 2017;29(1):31-47. https://doi.org/10.1002/elan.201600537 (Обсуждаются потребности в питании для маленьких датчиков)
15. Плаке, Т., и др. Перспектива факторов, ограничивающих производительность литий-ионных батарей. Журнал Электрохимического общества. 2018;165(14):A3197-A3199. https://doi.org/10.1149/2.0621814jes (Обсуждает пределы плотности энергии)
16. Лав, К.Т. Проблемы безопасности и протоколы тестирования литий-ионных батарей в имплантируемых медицинских устройствах. Экспертиза медицинских изделий. 2014;11(4):385-397. https://doi.org/10.1586/17434440.2014.912393
17. Руководство FDA. Производительность и безопасность батарей для имплантируемых медицинских устройств. (Поиск на сайте FDA.gov текущих руководящих документов, связанных с имплантируемыми батареями, осуществляется здесь).
18. Дагдевирен, К., и др. Конформный пьезоэлектрический сбор и накопление энергии от движений сердца, легких и диафрагмы. Труды Национальной академии наук. 2014;111(5):1927-1932. https://doi.org/10.1073/pnas.1317233111   
19. Уотерс, Б.Х., и др. Беспроводное питание для имплантируемых медицинских устройств: Обзор. IEEE Transactions on Biomedical Circuits and Systems. 2020;14(2):335-351. https://doi.org/10.1109/TBCAS.2020.2974282
20. Инь, Л., и др. Материалы, конструкции и эксплуатационные характеристики полностью биоразлагаемых первичных батарей. Передовые материалы. 2014;26(22):3879-3884. https://doi.org/10.1002/adma.201306304