温度振动响应性聚合物构建的可拆卸可充电植入式锂离子电池及其生物医学应用

为解决植入式医疗电子设备中传统电池需手术取出、存在长期毒性和慢性炎症等问题，研究人员开发了一种基于聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)-碳纳米管(CNTs)复合水凝胶电极和PNIPAM水凝胶电解质的温度振动响应性可拆卸锂离子电池。该电池在体温下具有62.1 mAh/g的容量，并可通过非侵入性外部冷却触发快速拆卸，为下一代植入式生物电子器件提供了安全可控的能源解决方案。

　　

随着植入式医疗电子设备的日益复杂化，对安全、可控且可生物降解电源的需求变得尤为迫切。传统植入电池面临诸多挑战：需要手术取出、潜在长期毒性以及因长期异物反应引发的慢性炎症。这些问题严重限制了植入式医疗设备的应用范围和患者接受度。现有可降解电池多采用被动拆卸机制，依赖金属和氧化物的生物降解，但存在拆卸周期长（数周至数月）、电化学性能不足等缺陷。更关键的是，目前尚未实现可充电与可控拆卸特性的兼容——这一矛盾亟待创新材料与设计策略的突破。

为此，Texas A&M大学团队在《Polymer》发表研究，首次报道了一种基于温度振动响应性聚合物的可充电植入式锂离子电池。该电池采用PNIPAM-CNTs复合水凝胶电极和PNIPAM-LiCl水凝胶电解质，通过聚合物的体积相变温度(VPTT)实现外部温度触发的快速拆卸。研究人员通过差示扫描量热法(DSC)测定材料VPTT，利用扫描电镜(SEM)表征微观结构，采用电化学工作站测试离子电导率与阻抗谱(EIS)，并通过体外细胞实验验证生物相容性。

3.1 VPTT与电极性能

研究发现PNIPAM-CNTs-LMO/LTP复合电极的VPTT为33°C，低于体温(37.5°C)。当温度低于VPTT时，电极电导率从0.863 mS/cm(50°C)降至0.363 mS/cm(20°C)，同时溶胀率显著增加。SEM显示电极具有微米级多孔结构，CNTs均匀分布在孔壁，为离子传输提供通路。

3.2 体温下电化学性能

电池在体温下展现优异性能：0.5 A/g电流密度时容量达62.1 mAh/g，100次循环后容量保持率73.1%。CV曲线显示特征氧化还原峰位于1.69/1.59V，EIS证实界面阻抗随温度降低而减小。

3.3 温度响应性拆卸

在模拟体内动态环境的机械振动下，20°C处理6小时后电池直径缩减52.3%，重量残留仅32.5%。电化学性能与温度强相关：40°C时容量56.7 mAh/g，20°C时骤降至28 mAh/g，对应离子电导率从38.2 mS/cm(20°C)降至12.7 mS/cm(50°C)。

3.4 生物相容性验证

人脐静脉内皮细胞(HUVECs)培养实验显示，电池浸提液组与对照组细胞活性无显著差异(P=0.2821)，证实材料短期生物安全性。

该研究通过智能聚合物实现了植入电池"稳定运行-按需拆卸"的功能解耦：体温下保持高性能，低温触发快速解体。相比传统降解电池，其拆卸时间从数周缩短至数小时，且首次将可充电特性与主动拆卸机制结合。PNIPAM-CNTs复合电极的创新设计既保证导电网络，又赋予温度响应性；而水凝胶电解质通过Li⁺载体实现安全离子传输。这项研究为临时性植入设备（如术后监测传感器、短期治疗系统）提供了理想的能源解决方案，其外部触发机制可避免二次手术风险。未来通过优化活性材料纳米化和器件微型化，有望推动可拆卸能源在精准医疗中的更广泛应用。