看不见的引擎：锂离子技术如何彻底改变用于医疗植入物的薄型电池

导言：权力在现代医疗植入物中的关键作用

医疗植入物已从科幻小说转变为改变生活的现实。心脏起搏器可以调节心跳，神经刺激器可以缓解慢性疼痛，人工耳蜗可以恢复听力。在这些令人难以置信的成就背后，隐藏着一个根本性的挑战：在人体的严格限制下提供可靠、持久的电力。随着植入式设备变得越来越小、越来越智能、越来越复杂，对同样先进的电源的需求也在不断增加。传统电池虽然功能强大，但往往成为设备的瓶颈。 微型化 和长寿。本文将深入探讨 用于医疗植入物的薄型锂离子电池 - 这是一项革命性技术，可实现下一代植入式医疗解决方案。我们将具体探讨以下先进技术 薄膜锂离子 (TFLB) 和新兴 半固态电池（SSSB） 技术、其应用、挑战以及它们所推动的激动人心的未来。

日益增长的需求：传统电池的不足之处

向微型化和智能化植入物发展

医疗植入物的发展趋势非常明显：更小、更智能、更持久。早期的心脏起搏器体积庞大；如今，无引线心脏起搏器等设备的体积明显缩小[1]。神经刺激器、生物传感器和给药系统在不断缩小的封装中集成了更多的功能。这 微型化 这种趋势提高了患者的舒适度，减少了手术的创伤性，并为新的治疗方法打开了大门。此外，患者和医生都希望植入物的使用寿命更长，从而最大限度地减少仅因电池耗尽而进行昂贵而繁琐的更换手术的需要。人们对设备的期望正在发生转变，理想的设备应具有较长的使用寿命或方便的充电功能。

传统电池化学成分和外形尺寸的局限性

植入体中使用的传统电池（通常以锂碘或单氟化碳锂等原生锂化学物质为基础）虽然可靠，但也面临固有的局限性。它们的标准圆柱形或棱柱形通常决定了植入体的整体尺寸和刚度，可能导致患者不适或并发症。有限的 电池寿命特别是对于耗电量大的设备而言，这仍然是一个令人担忧的问题[2]。虽然能量密度有所提高，但传统的外形尺寸会限制极小设备体积内存储的总能量。虽然成熟的化学成分普遍具有较高的安全性，但安全性仍然是一个持续关注的焦点，尤其是一旦密封性受到破坏，与液态电解质相关的潜在风险。

进入薄型锂离子电池：植入式电源的范式转变

定义 "薄"：特征和外形尺寸

在医疗植入物方面，"......薄电池"通常指厚度以毫米甚至亚毫米（小于 1 毫米）为单位的电源。与笨重的圆柱形电池不同，这些 锂离子电池 电池可以被设计成平板状，有时甚至具有柔韧性。试想一下，薄如几张纸的电池能够贴合人体的弯曲表面，或容纳进以前无法储存电能的空间。这种低调的设计彻底摆脱了传统的束缚。

推动采用的主要优势

采用 超薄 和 柔性锂离子电池 是由令人信服的优势驱动的。最明显的优势是能够 微型化 这些电池为植入式设备提供了前所未有的设计自由度，使电源与设备的外形和功能更加有机地结合在一起。对于工程师来说，这些电池带来了前所未有的设计自由度，使电源与设备的外形和功能更有机地结合在一起。除了尺寸，特定的薄型锂离子技术，如 薄膜固态 和 半固态电池这为改进容积 能量密度 (在相同空间内功率更大），并且由于减少或消除了游离液态电解质而提高了安全性[3]。这些因素的结合标志着以下方面的重大飞跃 植入式电源解决方案.

实现薄型植入式锂离子电池的核心技术

几项关键的锂离子技术是开发适合人体苛刻环境的薄型电池的基础。

薄膜锂离子 (TFLB) 技术

薄膜电池通常采用从半导体行业借鉴的技术制造，如溅射或真空沉积。极薄层（微米或纳米厚）的阳极材料、阴极材料，以及关键的固体电解质被依次沉积到基底上。 薄膜锂离子 使用的电池 固体电解质 如氮化锂磷（LiPON）尤其具有发展前景[4]。

• 优势 潜在的高容积能量密度、出色的循环寿命（可充电型可实现数万次循环）、固体电解质带来的固有安全性，以及极薄的制造能力。
• 挑战： 与传统技术相比，实现高容量需要更大的表面积或相对更厚的薄膜，制造工艺复杂，成本可能更高[5]。

半固态电池 (SSSB) 技术

半固态电池 锂离子电池是采用凝胶聚合物电解质（GPE）或混合固态电解质取代传统锂离子电池中的纯液态电解质的一类电池[6]。虽然这些电解质并非完全固态，但却大大减少了自由流动液体的数量。

• 主要优势 与液态电解质相比 半固态设计 通过最大限度地减少或消除易燃游离液体，提高了安全性。与全固态电池相比，它们通常更容易加工，并能保持一定程度的灵活性，因此适合薄型、可弯曲的设计[7]。GPE 可有效润湿电极，有助于保持较低的界面电阻。
• 现状与挑战： SSSB 技术是一个活跃的研究领域，重点是平衡安全性、能量密度、离子传导性和机械灵活性。确保植入环境的长期稳定性和兼容性是关键挑战[8]。它们在医疗应用中的潜力巨大，尤其是在需要灵活性和更高安全性的领域。

柔性和可伸缩锂离子电池创新技术

为了真正贴合人体组织或实现新颖的植入设计，电池需要弯曲甚至拉伸。 柔性锂离子电池 通过材料科学的突破和巧妙的工程设计来实现。这可能涉及使用柔性基底、设计允许拉伸的蛇形互连，或开发本质上可拉伸的电极和电解质材料[9]。这些对于智能隐形眼镜、保形生物传感器或旨在与活动组织无缝结合的植入物等应用至关重要。

生物兼容性和气密密封：确保安全

无论内部化学成分或形式因素如何，驻留在体内的任何成分都必须是安全的。 生物兼容材料 电池外壳或任何面向外部的部件都必须符合不会对组织造成不良反应的标准，如 ISO 10993 [10].同样关键的是 气密密封.电池必须完全密封，通常装在激光焊接的钛或陶瓷外壳中，以防止电池材料泄漏到体内，并保护敏感的内部化学成分不受腐蚀性体液的影响。为了保证植入物的长期安全性，这种坚固的封装是不可或缺的[11]。

为突破提供动力：薄型锂离子电池在植入物中的关键应用

薄型锂离子电池的独特特性为广泛的医疗植入应用带来了创新。

心律管理 (CRM) 设备

薄型电池有助于开发体积更小、创伤更小的心脏起搏器和植入式心律转复除颤器（ICD）。直接植入心脏的无引线心脏起搏器就是最好的例子。 微型锂离子电池 [12].未来的客户关系管理设备可以利用轻薄的柔性电池来进一步缩小尺寸、改善一致性，并可能延长其使用寿命。 起搏器电池 或启用更复杂的监控功能。

神经调控设备

治疗慢性疼痛的脊髓刺激器 (SCS)、治疗帕金森病的脑深部刺激器 (DBS) 和治疗癫痫的迷走神经刺激器 (VNS) 等设备通常需要大量电能。轻薄的可充电锂离子电池（包括可提高安全性的半固态设计）使植入式脉冲发生器（IPG）的体积更小，从而减少了患者的不适感和手术口袋的大小[13]。锂离子电池具有更高的能量密度潜力。 半固态 或 薄膜 化学物质可能会导致充电间隔时间更长或整体充电间隔时间更短。 神经刺激器电池 系统

生物传感器和智能植入物

崛起的 智能植入体 - 用于长期监测生理参数（如血糖、血压、生物标志物）的设备，在很大程度上依赖于小型化、可靠的电源。 薄型锂离子电池 是为这些 生物传感器电池在不增加大量体积的情况下实现数据采集和无线传输[14]。试想一下，植入式传感器可提供连续的健康数据，并可持续供电数年。

先进的给药系统

植入式药泵可直接在需要的地方高精度地输送药物。这些系统需要可靠、长期的电力来准确操作泵和控制电子设备。薄型锂离子电池有助于减小这些植入物的尺寸，使其适用于更多的患者和解剖位置，并确保一致性。 给药 由紧凑型电源供电。

感官辅助工具

耳蜗植入体和视网膜植入体等设备可以恢复感官，但在靠近精密结构的极小空间内对电源的要求很高。薄型和微型锂离子电池技术对于设计更小、更舒适的处理器和植入组件、改善用户体验以及通过适当的信号处理实现更复杂的信号处理至关重要。 人工耳蜗功率.

迎接挑战：开发和部署中的障碍

尽管潜力巨大，但要在医疗植入物中广泛采用薄型锂离子电池，还必须应对若干挑战。

兼顾能量密度和微型化

电池的基本物理原理意味着需要直接权衡：较小的体积通常意味着较小的容量（例如，较小的电池容量意味着较小的电量）。能量密度).开发新的材料和电池设计，在超薄外形中最大限度地储存能量，仍然是研究的重点[15]。

确保体内长期可靠性和安全性

植入体必须在人体的腐蚀性和动态环境中完美无瑕地工作数年，甚至数十年。证明 可靠性 和 电池安全 新的薄型锂离子技术（包括半固态变体）需要进行大量严格的测试，包括加速老化和失效分析，远远超过了消费电子产品的标准[16]。

生产可扩展性和成本效益

许多先进的薄电池制造技术（如用于 TFLB 的真空沉积技术）既复杂又昂贵。以合理的价格实现大批量、高产量生产 制造成本 这对于使这些技术在更广泛的医疗应用中具有可及性和经济可行性至关重要。

监管途径和严格的审批程序

医疗植入物，尤其是由新型电池驱动的 III 级设备，面临着严格的 监管批准 流程（如 FDA 上市前审批 - PMA）。证明安全性和有效性需要大量的临床前和临床数据、广泛的文件记录以及复杂的要求，这给研发增加了大量的时间和成本[17]。

地平线：植入式电源的未来趋势与创新

植入式电源的未来充满活力，出现了几种令人兴奋的趋势。

与能量收集集成

研究人员正在探索如何利用 能量采集 技术--将人体自身的能量（通过压电材料产生的运动能、通过热电发电机产生的热能，甚至是葡萄糖产生的化学能）转化为电能[18]。虽然仅靠采集电能可能不足以为复杂的植入体提供全部电力，但它可以大大延长电池寿命或实现超低功耗传感器网络。

无线充电技术的进步

对于可充电植入体，改进 无线充电 效率、速度和便利性是关键。发展的重点是更高效的电感耦合、可能更小的外部充电器，以及探索更长距离的谐振或射频充电技术，同时小心平衡效率与安全（如组织加热）[19]。

生物降解电池和瞬态电池

用于临时诊断或治疗植入（如手术后监测、临时刺激）、 可降解电池 正在开发中。这些电源可在规定时间内发挥作用，然后在体内安全溶解，无需进行移除手术[20]。

新一代化学和材料

继续开展锂离子电池以外的研究，探索 新一代电池 有可能具有更高的能量密度或更强的安全性。虽然挑战依然存在，特别是在生物兼容性和植入式使用的长期稳定性方面，但材料科学的突破可能会带来进一步的改进。

结论：薄型锂离子电池--为更健康、更互联的未来提供动力

薄型锂离子电池不仅是更小的电源，还是未来医疗植入物的关键推动因素。通过克服传统电池的局限性，它们促进了设备的微型化，提高了病人的舒适度，延长了工作寿命，并开启了全新的治疗和诊断可能性，而半固态技术则为提高安全性提供了一条前景广阔的途径。

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常见问题 (FAQ)

1. 问题 1：用于医疗植入物的薄型锂离子电池的使用寿命一般有多长？
   • A: 受电池类型、尺寸、设备功率需求和充电周期的影响，寿命差别很大（原电池的目标是 10 年以上，充电电池则取决于使用情况）。对于低功率的初级应用，目标通常是 10 年以上。
2. 问题 2：在人体内使用薄型锂离子电池是否安全？
   • A: 是的，只要设计和制造得当。安全至关重要，包括 生物兼容材料 (ISO 10993）、 气密密封 (钛/陶瓷外壳）和严格的测试。固态和半固态设计可减少或消除液态电解质，从而进一步提高安全性 [7，11]。
3. 问题 3：与用于植入物的传统锂离子电池相比，薄型锂离子电池的主要优势是什么？
   • A: 其主要优点包括：实现更小/无创设备、提高患者舒适度（体积更小、具有潜在灵活性）、提供设计自由度以及可能提供更高的能量密度和安全性（尤其是固态/半固态类型）[3]。
4. 问题 4：哪些类型的医疗植入物使用薄型锂离子电池？
   • A: 起搏器（尤其是无引线起搏器）、神经刺激器（SCS、DBS）、植入式生物传感器、药泵、人工耳蜗植入体以及新兴的智能诊断/治疗植入体的应用或探索越来越多[12, 13, 14]。
5. 问题 5：薄型植入式锂离子电池是否可以充电？
   • A: 有些是主要的（不可充电），用于长期低功率使用。另一些则是次级（可充电，通常通过无线充电），用于功率较高的设备，旨在通过定期充电维持植入物的使用寿命[13]。
6. 问题 6：用于植入物的薄膜锂电池和半固态锂电池有什么区别？
   • A: 薄膜电池（TFLB）通常使用沉积技术制造极薄层，包括固体电解质（如 LiPON）[4]。半固态电池（SSSB）使用凝胶聚合物或混合电解质，减少液体含量以确保安全，同时可能保持灵活性，而且通常比 TFLB 更容易加工[6, 7]。
7. 问题 7：这些电池能有多小？
   • A: 厚度可远小于 1 毫米，占地面积仅几平方毫米。尺寸与能量容量直接相关；体积越小，潜在的能量储存就越少 [15]。

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参考资料

(免责声明：以下列表使用了上一步中的占位参考文献作为结构。对于最终文章，这些参考文献应替换/验证为通过全面文献检索确定的具体、相关和最新的英文出版物。确保访问链接（DOIs）正确至关重要。）

1. Stoyanov, H., et al. Implantable Medical Devices Miniaturization Trends. 微型机械. 2021;12(3):278. https://doi.org/10.3390/mi12030278
2. Takeuchi, E.S., et al. MRS 公告. 2010;35(2):103-108. https://doi.org/10.1557/mrs2010.588 (早期基础参考文献范例）
3. Liu, W., et al. Flexible and Stretchable Lithium Batteries：机遇与挑战。 先进材料. 2018;30(19):1704679. https://doi.org/10.1002/adma.201704679
4. 薄膜锂电池和锂离子电池。 固态离子. 2000;135(1-4):33-45. https://doi.org/10.1016/S0167-2738(00)00327-1 (经典基础论文）
5. 用于小型化系统的薄膜固态锂离子电池：综述。 电源杂志. 2021;483:228998. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2020.228998
6. 锂离子电池用凝胶聚合物电解质：基本原理、战略与前景》。 储能材料. 2020;24:209-242. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2019.08.026
7. Wan, J., et al. Flexible and Stretchable Batteries：最新进展与未来展望》。 化学评论. 2021;121(6):3788-3843. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c01090 (涵盖灵活的特别支助预算）
8. Zhao, Q., et al. 《固体电解质和固态电池综述》。 先进功能材料. 2020;30(18):1909987. https://doi.org/10.1002/adfm.201909987 (讨论挑战）
9. Sun, L., et al. 柔性锂离子电池的最新进展：从材料设计到结构工程。 储能材料. 2019;23:381-405. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2019.06.011
10. ISO 10993-1:2018。医疗器械的生物学评价 - 第 1 部分：风险管理过程中的评价和测试。 https://www.iso.org/standard/68936.html (标准参考资料）   
11. Bock, D.C., et al. Implantable Medical Devices Hermetic Sealing Technologies. 先进材料技术. 2019;4(8):1900197. https://doi.org/10.1002/admt.201900197
12. Reddy, V.Y., et al. 无引线心脏起搏器。 新英格兰医学杂志. 2015;373(12):1125-1135. https://doi.org/10.1056/NEJMoa1507192
13. 用于植入式医疗设备的可充电电池：综述。 IEEE Access. 2018;6:76125-76143. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2884235
14. Bandodkar, A.J., et al：综述。 电分析. 2017;29(1):31-47. https://doi.org/10.1002/elan.201600537 (讨论小型传感器的功率需求）
15. Placke, T., et al. 锂离子电池性能限制因素透视。 电化学学会期刊.2018;165(14):A3197-A3199. https://doi.org/10.1149/2.0621814jes (讨论能量密度极限）
16. Love, C.T. 植入式医疗设备中锂离子电池的安全挑战和测试协议。 医疗设备专家审查. 2014;11(4):385-397. https://doi.org/10.1586/17434440.2014.912393
17. FDA 指导文件。植入式医疗器械的电池性能和安全性。(此处需要在 FDA.gov 上搜索与植入式电池相关的最新指导文件）。
18. Dagdeviren, C., et al. 从心脏、肺部和横膈膜的运动中进行共形压电能量采集和存储。 美国国家科学院院刊. 2014;111(5):1927-1932. https://doi.org/10.1073/pnas.1317233111   
19. Waters, B.H. 等人.植入式医疗设备的无线供电：综述。 电气和电子工程师学会生物医学电路与系统论文集. 2020;14(2):335-351. https://doi.org/10.1109/TBCAS.2020.2974282
20. Yin, L., et al. 全生物降解一次电池的材料、设计和运行特性。 先进材料. 2014;26(22):3879-3884. https://doi.org/10.1002/adma.201306304