医用锂离子电池材料的生物相容性评估：抗菌性能、细胞毒性及生物毒性多维风险分析框架

《Small Structures》：Biocompatibility Assessment of Lithium-Ion Battery Materials in Medical Devices

　　

随着电池技术在可穿戴、植入式和摄入式医疗设备等生物医学应用中的快速整合，生物安全性问题日益凸显。本综述系统评估了电池材料的生物相容性，重点关注其抗菌性能、细胞毒性和生物毒性。重要的是，研究人员建立了一个多维风险评估框架，将材料分为高、中、低三个风险类别。电池材料的毒性风险主要源于器官蓄积、炎症反应和氧化应激，这些受粒径、形貌和离子释放等因素的共同影响。研究人员讨论了通过表面功能化和材料设计来平衡功能性与安全性的策略。最后，展望了电池的未来研究方向，重点在于建立标准化的毒性测试方案以及推进可控可降解材料的发展。这项工作不仅填补了医用电池生物相容性评估的关键空白，也为开发高性能、高安全性电池提供了基础性见解和安全指南。

本文系统回顾了锂电池材料在医疗设备中的生物安全性，从抗菌性能、细胞毒性和生物毒性三个维度进行了综合评估，并建立了多维风险评估框架。

1 引言

能源存储技术的创新正推动电池从传统便携电子产品和电动汽车扩展到可穿戴、植入式和摄入式医疗设备等前沿领域。到2031年，有源医疗设备的市场规模预计将达到2617亿美元。在有源医疗设备中，电源不仅是辅助组件，更是决定设备运行寿命、可靠性、信号稳定性和整体安全性的关键因素。目前，一次锂电池仍是商用有源医疗设备的主要电源，例如锂碘（Li-I₂）电池用于心脏起搏器，锂-氟化碳（Li-CF_x）和锂-二氧化锰（Li-MnO₂）电池用于起搏器、深部脑刺激、脊髓刺激器、药物泵、智能药丸和胶囊内镜。然而，随着医疗设备向智能化、小型化和功能集成化发展，功耗呈指数级增长，一次电池在功率密度和体积能量密度方面的局限性日益凸显。因此，充电电池因其优异的功率能力和长循环寿命而成为神经刺激器、智能贴片和人工耳蜗等设备的关键技术。目前，锂离子电池（LIB）在可充电电源领域占据主导地位，同时锌电池、钠电池等替代化学体系也在并行发展。LIB的核心材料已经从传统的碳基负极、过渡金属氧化物正极和液态电解质，演变为硅基或磷基负极、高镍层状氧化物正极和固态电解质等先进构型。

2 医疗设备中电池材料的生物安全风险

当前的电池研究仍聚焦于提升电化学性能和能量密度，潜在毒性问题长期被忽视。尽管电池通常被密封封装，但在体内会持续承受心脏搏动、肌肉收缩等生理活动产生的机械应力。可充电系统中反复的充放电循环会引起电极材料的体积膨胀与收缩，加速结构退化和界面失稳。动态、潮湿和生物腐蚀性的生理环境会加剧机械退化、材料腐蚀和锂枝晶生长，可能导致内部短路或封装失效，引发热损伤、有害气体排放、电解液泄漏以及纳米/微米级颗粒和金属离子的释放。这些物质可通过吸入、经皮暴露或消化道直接进入人体，经血液循环分布并蓄积在靶器官中，造成严重的全身暴露风险。因此，本研究从以下三个方面对LIB材料的生物相容性和生物安全性进行综合评估：抗菌性能是保障有源医疗设备临床安全的第一道防线，可防止微生物定植和生物膜形成；细胞毒性直接反映电池材料对邻近细胞的短期急性生物学效应；生物毒性评估则进一步阐明电池材料在体内的长期行为和全身效应。

3 LIB材料的抗菌性能

本节系统回顾了各种电池材料的广谱抗菌活性及其物理和生化作用机制。

3.1 正极

磷酸铁锂（LFP）、钴酸锂（LCO）和镍锰钴氧化物（NCM）是目前商用LIB正极材料的三大支柱。LFP本身不具有常规抗菌特性，但其纳米级形貌可通过物理破坏抑制细菌增殖。LCO主要通过释放钴离子（Co²⁺）产生抗菌作用，Co²⁺可抑制ATP合成、阻碍DNA复制、促进活性氧（ROS）产生并引发脂质过氧化。NCM优先释放锂离子（Li⁺）和镍离子（Ni²⁺），其次为Co²⁺和锰离子（Mn²⁺）。Ni²⁺和Co²⁺可催化类芬顿反应，引发强烈的ROS爆发并导致氧化损伤。

3.2 负极

石墨仍是主流负极材料，但钛酸锂（LTO）、新型碳基、硅基和磷基材料正在兴起。LTO稳定的晶格结构有效阻止金属离子浸出，其抗菌作用由光催化机制驱动，而非离子介导的毒性，因此在生理条件下抗菌能力有限。碳基材料表现出广谱抗菌活性，其尖锐边缘可刺穿或切割细胞膜，强色散作用可导致磷脂提取，同时氧化应激协同增强抗菌效果。硅基材料的抗菌功效主要来自其尖锐的纳米结构，如黑硅的尖刺或针状结构可直接穿透细菌细胞。黑磷（BP）的抗菌活性与其浓度正相关，主要通过物理破坏和近红外（NIR）照射下的光热效应实现。

3.3 其他组分

电池中还包含电解液、隔膜和封装材料等关键部件。封装材料如纳米结构钛合金和含铜不锈钢表现出优异的抗菌活性，机制涉及微区电位差（MAPD）介导的电子转移和氧化应激，以及铜离子的持续释放。液态电解液的化学成分对微生物具有显著的毒性和强脱水作用，有机溶剂可迅速破坏微生物的磷脂双分子层，锂盐如六氟磷酸锂（LiPF₆）也贡献了显著毒性。总体而言，正极材料的抗菌活性呈浓度和时间依赖性，主要源于金属离子的释放；负极材料的抗菌活性部分归因于机械损伤和ROS诱导的氧化应激；封装材料的抗菌活性常源于纳米结构表面与掺杂金属离子的协同作用。

4 LIB材料的细胞毒性

本节评估了电池材料在不同细胞模型中的细胞毒性特征及其致细胞损伤的机制通路。

4.1 正极

LFP不含钴或镍，避免了最严重的重金属毒性风险，其细胞毒性主要来自铁离子催化的氧化应激和纳米尺寸效应，总体毒性远低于LCO和NCM。LCO在多种细胞中表现出低细胞毒性，高浓度下释放的Co²⁺可触发持续的羟基自由基生成，引起弱细胞毒性，主要通过干扰能量代谢和应激适应通路导致线粒体功能障碍。NCM的细胞毒性主要由Co²⁺和Ni²⁺驱动，两者协同作用加剧细胞生长抑制，严重破坏氧化还原平衡，最终导致凋亡和坏死。

4.2 负极

LTO被认为是“零应变”材料，钛的固有惰性和低毒性使其不太可能引起有毒金属离子浸出，但在纳米尺度下其细胞毒性与其他纳米材料相当，取决于剂量、粒径和表面修饰。碳基材料中，氧化石墨烯（GO）显示出最强的毒性，其半数抑制浓度（IC₅₀）值极低，主要通过诱导ROS产生和乳酸脱氢酶（LDH）泄漏引起氧化应激和细胞膜损伤。硅基材料的形状显著调节其毒性，球形介孔二氧化硅纳米粒子（S-MSN）比棒状粒子（R-MSN）更易积累并降低细胞活力；材料尺寸也是关键决定因素，小于100 nm的纳米粒子通常表现出更强的细胞内化和细胞毒性。磷基材料在生理条件下可快速降解为无毒的磷酸盐，对多种细胞不显示细胞毒性，但磷酸根阴离子的积累可能加剧脂质过氧化和氧化应激，并通过内质网（ER）应激、线粒体功能障碍、铁死亡和坏死性凋亡等多种途径诱导细胞死亡。

4.3 其他组分

常见的封装材料如聚醚醚酮（PEEK）、钛合金（Ti-6Al-4V）和氧化锆增韧氧化铝陶瓷（ZTA）均表现出高生物相容性。聚丙烯（PP）和聚乙烯（PE）隔膜材料在微米尺度下细胞毒性可忽略，但小尺寸PP颗粒可降低细胞活力约20%，PE则触发氧化应激和线粒体膜电位去极化。液态电解液组分双三氟甲烷磺酰亚胺锂（LiTFSI）诱导剂量和时间依赖性的细胞毒性，通过DNA损伤、细胞周期阻滞和凋亡发挥作用。固态电解质聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）颗粒的细胞毒性取决于粒径，较大颗粒主要与细胞膜相互作用并降低细胞活力。粘结剂聚偏二氟乙烯-六氟丙烯-钛酸钡（PVDF-HFP-BTO）纳米复合材料显示出可忽略的细胞毒性。

5 LIB材料的生物毒性

本节从细胞水平转向生物体水平，研究电池材料在体内的迁移、蓄积和全身毒性。

5.1 正极

LFP和LCO可被吸入并沉积在支气管和肺中，表现出超过2个月的持久肺部滞留和持续性炎症反应，其中LCO的呼吸毒性最强。在水蚤中，LFP纳米粒子易于生物蓄积，引发强烈的氧化应激并干扰离子和能量稳态，导致发育障碍。LCO和NCM颗粒在水蚤消化道中蓄积，严重损害生存和繁殖，富镍NCM表现出更高的毒性。此外，LCO和NCM还阻碍摇蚊幼虫的发育，导致生长速率下降、成虫羽化延迟和血红蛋白水平降低。

5.2 负极

LTO气管滴注后仅引起局部和轻微的肺部炎症，其化学惰性使其不会引起持续的免疫或炎症反应或纤维化，总体生物毒性较低。碳基材料中，多壁碳纳米管（MWCNT）对小鼠的毒性最高，其次是石墨烯和炭黑或石墨纳米片，毒性与肺泡巨噬细胞清除功能受损有关。GO在注射后主要蓄积在肺、肝和脾中，引起广泛性肺血栓栓塞和持续性病理改变，并在小鼠睾丸中高度摄取，降低精子活力并诱导DNA断裂。MWCNT在滤食性蝌蚪的鳃/肺和消化道中富集，引起多系统毒性、生长抑制和生殖毒性。