在《自然·通讯》(Nature Communications)期刊2021年的一期上，来自德国开姆尼茨工业大学材料系统与纳米电子学实验室、莱布尼茨固体材料研究所等机构的科研团队，由Yeji Lee、Vineeth Kumar Bandari、Oliver G. Schmidt等人领导，发表了一项突破性的研究成果。该研究报道了一种能够在血液中自主工作的“纳米生物超级电容器”(Nano-Biosupercapacitor, 简称nBSC)，其体积仅为1纳升，是目前用于体内应用的最小储能装置之一，为实现下一代血管内植入物和微型机器人系统的自给自足运行开辟了新的道路。
这项研究的主要背景源于当前微电子系统，如体内“智能尘埃”和微型机器人，在微型化进程中面临的巨大挑战：缺乏与之匹配的、尺寸足够微小且性能稳定的微型化储能单元。传统的微型超级电容器通常使用非生物相容性材料，且存在严重的自放电问题，难以在生物体内长期稳定工作。生物超级电容器（Biosupercapacitor, BSC）虽然具有生物相容性并能利用生物电催化反应缓解自放电，但其尺寸通常大于3立方毫米，工作电压窗口较低（0.3-0.8 V），难以进入人体深处狭窄的血管空间。因此，本研究的目标是开发一种体积极小、完全生物相容、工作电压高、且能在复杂生理环境（如血液）中稳定工作并利用生物环境增强自身性能的微型储能装置。
研究的详细工作流程始于纳米生物超级电容器的设计与制造。研究团队采用了一种创新的“瑞士卷”（Swiss-roll）三维自组装技术。首先，在硅衬底上制备聚合物层叠结构，包括牺牲层、水凝胶层和聚酰亚胺层。然后，在该结构上依次沉积功能层：金（Au）作为顶部和底部集流体，聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）作为对称工作的活性电极材料，光图案化的聚乙烯醇（PVA）作为质子交换隔膜，最后用SU-8光刻胶进行表面钝化以实现准电子和离子隔离。关键步骤是通过选择性蚀刻牺牲层，利用下层水凝胶的膨胀驱动，使整个平面层叠结构自动卷曲成一个紧凑的、具有中空管状结构的微型圆柱体。这种管状几何结构不仅实现了器件体积的极致压缩（达到1×10^-3 mm³，即1纳升），还提供了优异的机械稳定性，能够抵抗血流脉动或肌肉收缩产生的外部压力。通过这种方法，制造良率可达约95%。
制备完成后，研究团队在多种生物电解液（0.9%氯化钠、血浆和全血）中对纳米生物超级电容器进行了系统的电化学性能评估。采用双电极测量构型，进行了循环伏安法、恒电流充放电、电化学阻抗谱等测试。结果表明，器件在血液中表现出比在纯离子电解液中更优异的性能。具体来说，在血液中，其体积电容和能量密度提升了约40%。研究将这一“生物增强”效应归因于血液中天然存在的酶和活细胞。这些生物成分引发了生物电催化反应，如催化酶反应、细胞代谢和葡萄糖还原，这些反应产生的能量被装置捕获，不仅提升了性能，还有助于补偿超级电容器固有的自放电问题。研究指出，PVA质子交换隔膜对于抑制自放电至关重要，它能有效阻隔生物阳极产生的质子向阴极迁移，从而减少导致自放电的法拉第副反应。此外，SU-8钝化层使器件能够在高达1.6 V的电压下工作，且在生物电解液中无气体析出。
接下来，研究评估了纳米生物超级电容器在生理相关条件下的性能。为了模拟真实的体内环境，研究人员将器件置入聚二甲基硅氧烷制成的微流体通道中，该通道直径（120-150微米）模拟了小血管。在此设置下，测试了不同温度（20-40°C）和不同血流速率（0至3 ml/min，模拟60次/分钟的心跳频率）下的器件性能。结果表明，在各种温度和流速下，器件的电化学性能（电容、充放电曲线）保持稳定，验证了其在动态血流环境中的鲁棒性。同时，研究还对器件施加了外部压力（从15.4 kPa到76.8 kPa），以模拟血管静水压、渗透压以及肌肉收缩可能产生的压力。得益于其管状几何结构，器件展现了出色的径向柔韧性和机械稳定性，在反复压缩后仍能保持良好的充放电特性。
生物相容性评估是植入式设备研发的关键环节。研究团队进行了细胞增殖、炎症和血栓形成测试。将器件与马-达二氏犬肾（MDCK）细胞共同孵育两天后，通过MTS比色法检测细胞活性，结果显示器件材料对细胞增殖和活力无显著影响。此外，将器件置于肝素处理的人全血中孵育两小时，检测了溶血、凝血标志物（如凝血酶原片段F1+2）和炎症标志物（如补体片段C5a、CD11b表达水平、血小板-粒细胞复合物）。结果表明，与对照组相比，纳米生物超级电容器引起的炎症反应和血液凝固程度为低至中度，未诱发溶血，表明其具有较高的血液相容性。
为了展示该纳米储能器件的应用潜力，研究团队将其与微型传感系统集成，构建了一个自供电的pH传感器。他们发现，器件在人工血浆中的电容值随电解液pH的变化而变化。利用这一特性，他们将一个对pH敏感的纳米生物超级电容器作为传感元件，集成到一个五级环形振荡器电路中。同时，将三个串联的纳米生物超级电容器作为供能单元。整个系统采用相同的“瑞士卷”工艺制作成管状。当这个集成系统被充电至约3V后，将其暴露在不同pH（1至7）的人工血浆中。环形振荡器的输出频率会随着pH值（即传感nBSC的电容）的变化而改变，从而实现了无需外部供电的、自主的pH传感功能。该传感器在血液和血浆中也成功展示了工作能力。
基于以上结果，研究得出结论：成功研制出了一种体积比现有最小装置小三数量级、可在血液中工作并利用生物环境增强性能的纳米生物超级电容器。这种管状器件具有良好的机械稳定性和生物相容性，能够适应血管内的血流动力学条件。更重要的是，它能够与复杂的微电子电路（如环形振荡器）集成，构建出自供电的传感器系统，用于实时监测血液pH值等重要生理参数。这证明了其在未来自供能生物医学植入物、智能心血管支架以及自主运动微电子系统等领域具有广阔的应用前景。
本研究的亮点和创新性体现在多个方面：首先，实现了前所未有的微型化，将生物超级电容器的体积缩小至纳升级别；其次，创新的“瑞士卷”自组装三维构型不仅解决了微型化问题，还赋予了器件优异的机械柔韧性和稳定性；第三，巧妙利用了血液中的生物成分（酶、细胞）来提升器件性能并缓解自放电，这是传统超级电容器无法实现的；第四，首次将这种微型生物超级电容器与传感电路单片集成，演示了一个完整、自足（autarkic）的微型传感系统；第五，从材料选择、结构设计到系统集成，整个工作流程都充分考虑并验证了生物相容性和在生理环境中的实际运行能力。
此外，研究还探讨了未来实际应用面临的挑战，包括无线充电方式、长期植入的抗生物污染封装策略、微创植入方法以及非功能性器件的生物降解问题等。这些问题的提出为后续研究指明了方向。这项研究不仅为微型生物电子设备提供了关键的能源解决方案，也展示了其在疾病早期诊断（如通过pH变化探测肿瘤形成）等个性化医疗领域的巨大潜力，是微型化生物集成系统领域的一项重要突破。