生物电化学换能器与天线功能融合策略：实现生物组织连续监测的微型化突破

为解决植入式传感器体积过大导致的组织兼容性和信号传输难题，法国波尔多大学团队创新性地将生物燃料电池(BFC)电极与射频天线功能整合，开发出兼具能量供给与无线通信功能的双功能微型器件。通过优化介电核心结构，在保证葡萄糖浓度无线监测的同时，将植入体积缩减50%。该研究发表于《Biosensors and Bioelectronics》，为糖尿病等疾病的长期组织监测提供了突破性解决方案。

　　

在医疗监测技术快速发展的今天，植入式传感器面临着"体积困境"——传统设备中能量供给模块（如电池）和通信单元（如天线）的物理尺寸受限于基本物理规律，难以进一步微型化。这导致许多精细的人体组织区域无法实现长期监测，而较大的植入体积又会引发严重的异物反应(FBR)，形成纤维化包裹影响传感器性能。波尔多大学联合团队在《Biosensors and Bioelectronics》发表的这项研究，犹如给这个领域打了一剂"强心针"——他们巧妙地将生物燃料电池(BFC)的电极设计成螺旋天线结构，让同一组金属元件同时承担能量转换和信号传输双重使命。

研究团队首先瞄准了植入设备中两个最"占地"的部件：负责能量转换的生物燃料电池(BFC)和用于无线通信的天线。传统BFC通过氧化体液中的葡萄糖和氧气产生直流电，而天线则需要传导高频交流电来发射无线电波。这两个看似矛盾的功能，被研究人员用"金属导体复用"的理念统一起来——将BFC的金电极制成螺旋线圈形状，使其既能参与电化学反应，又能作为天线辐射电磁波。

但挑战接踵而至：裸露的电极天线在接触组织时，电场会因组织介电损耗而大幅衰减。研究团队为此开发了"介电核心"技术，用3D打印的DL260树脂制成带螺纹沟槽的圆柱体，让金线圈像弹簧一样缠绕其上。这种设计既保留了电极与组织的接触面，又将大部分电场约束在低损耗的介电材料内部，好比给天线装上了"电磁防护罩"。

关键技术方法包括：1）通过高频电磁仿真优化螺旋天线参数；2）采用立体光刻3D打印制造介电核心；3）构建基于葡萄糖氧化酶(GOx)/胆红素氧化酶(BOD)的双酶BFC系统；4）在大鼠皮下植入实验中验证结构稳定性；5）使用矢量网络分析仪(VNA)量化无线通信链路(WCL)性能。

3.1 介电核心电极的仿真设计

通过有限元分析发现，当介电核心隔离厚度Δd等于导线半径(125μm)时，能在保证电极接触面积最大化的同时，将品质因数Q提升3倍。在模拟肌肉组织环境中，4匝线圈结构的传输优值(FoM)达到峰值，证实了设计可行性。

3.2 恒定体积下的优化验证

将原型器件植入碎牛肉模拟组织后测试显示，带介电核心的线圈在28.25MHz工作频率下，比裸线圈减少12dB传输损耗。X射线成像证实，这种结构能抵抗大鼠皮下运动造成的机械应力，21天后仍保持完整。

3.3 BFC-天线的双重功能验证

在含40mM葡萄糖的PBS溶液中，双酶修饰的螺旋电极产生0.52V开路电压和5μW功率，同时实现2cm距离的无线通信。通过偏置三通器(Bias tee)分离直流与高频信号，证明能量转换与数据传输可同步进行。

这项研究最令人振奋的突破在于，它打破了植入设备"功能叠加导致体积膨胀"的传统困局。就像瑞士军刀通过巧妙的折叠结构整合多种工具，该团队通过几何创新让金属导体"一材两用"。介电核心设计不仅提升了天线效率，还意外解决了植入电极易断裂的问题——X射线显示，传统线性电极2天内就会因大鼠活动而断裂，而螺旋结构能维持21天完好。

虽然当前原型机的通信距离尚短，但研究者已指明改进方向：采用多孔金或碳纳米管增大电极活性面积，结合释氧生物材料缓解阴极缺氧问题。这种"功能融合"理念可拓展至乳酸、神经递质等多种生物标志物的监测，甚至可能催生完全自供能的微型起搏器。正如作者在讨论中展望的，当电子元件进一步集成到介电核心内部后，植入物体积有望再缩小50%，这将为精准医疗打开全新的可能性。