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当前 ， 微电子传感器技术、微电子机器人或血管内植入物的小型化进展迅速 。 然而 ， 这也给研究带来了重大挑战 。 其中 ， 最大的挑战是开发微小但高效的能量存储设备 ， 使自动工作的微系统能够运行 。 例如 ， 在人体越来越小的区域内 。 此外 ， 这些储能设备还必须是生物兼容的 ， 才能在人体内使用 。 现在 ， 终于有了一个结合了这些基本属性的原型 。 这一突破是由奥利弗·G·施密特（Oliver G.Schmidt）教授领导的一个国际研究团队实现的 。 施密特教授是开姆尼茨理工大学纳米电子材料系统教授 ， 也是开姆尼茨理工大学材料、建筑和纳米膜集成中心（Main）的发起人 。 德累斯顿莱布尼茨聚合物研究所（IPF）也作为合作伙伴参与了这项研究 。
【纳米|比灰尘还小，AAA电池级电压 —— 世界上最小的生物超级电容器】
上图：由90个管状生物超级电容器组成的阵列 。
在最新一期的《自然通讯》杂志上 ， 该项目的研究人员报道了这个迄今为止最小的微型超级电容器 ， 它已经在（人造）血管中发挥作用 ， 可以作为一个微型传感器系统的能源来测量pH值 。
这种存储系统为下一代生物医学中的血管内植入物和微型机器人系统提供了可能性 ， 这些系统可以在人体深处难以到达的小空间中运行 。 例如 ， 实时检测血液 pH 值可以帮助预测早期肿瘤的生长 。 研究小组负责人奥利弗·g·施密特教授对这项研究的成功感到非常高兴 ， 他说:“看到新的、极其灵活的、适应性极强的微电子技术正在进入生物系统的微型化世界 ， 这是非常令人鼓舞的 。 ”
该生物超级电容器的研究和样品的制作 ， 主要在开姆尼茨理工大学的MAIN研究中心进行 。
施密特教授团队的研究员维尼思·库马尔博士说：“我们的纳米生物超级电容器的架构 ， 为最大的挑战之一提供了第一个潜在的解决方案：微型集成储能设备 。 它可以使多功能微系统能够自给自足地运行 。 ”
比一粒灰尘还要小 ， 电压堪比AAA电池
然而 ， 用于更小的微电子元件的亚毫米范围内的能量存储设备 —— 也就是所谓的“纳米超级电容器”（nBSC）—— 不仅是一项重大的技术挑战 。 这是因为 ， 通常情况下 ， 这些超级电容器不会使用生物相容性材料 ， 而是使用腐蚀性电解质 ， 并且在出现缺陷和污染时会迅速放电 。这两个方面都使它们不适用于体内的生物医学应用 。所谓的“生物超级电容器（BSC）”提供了一种解决方案 。它们有两个突出的特性：它们是完全生物相容的 ， 这意味着它们可以用于血液等体液 ， 并可用于进一步的医学研究 。
此外 ， 生物超级电容器可以通过生物电化学反应补偿自放电行为 。 在这样做的过程中 ， 它们甚至受益于身体自身的反应 。 这是因为 ， 除了超级电容器的典型电荷存储反应外 ， 氧化还原酶促反应和血液中天然存在的活细胞将设备的性能提高了 40% 。
目前 ， 最小的此类能量存储设备一般都大于3mm3（3立方毫米） 。施密特教授的团队现已成功制造出体积小 3000 倍的管状 nBSC ， 其体积仅为 0.001 mm3（0.001立方毫米/1 纳升） ， 占用的空间比一粒灰尘还小 ， 但可为微电子传感器提供高达 1.6 V 的电源电压 。 例如 ， 该能量可用于血液中的传感器系统 。功率水平也大致相当于标准 AAA 电池的电压 ， 尽管这些最小尺度上的能量存储设备的实际电流当然要低得多 。纳米生物超级电容器的柔性管状几何形状还提供了有效的自我保护 ， 防止由脉动血液或肌肉收缩引起的变形 。在满负荷时 ， 这种纳米生物超级电容器可以操作一个复杂的完全集成的传感器系统 ， 用于测量血液中的 pH 值 。
上图：奥利弗·g·施密特教授领导了一种新型的微型超级电容器的开发 ， 这种电容器具有生物相容性 。
得益于折纸结构技术：灵活、坚固、小巧
折纸结构技术涉及将 nBSC 组件所需的材料放置在高机械张力下的超薄表面上 。当材料层随后以受控方式从表面分离时 ， 应变能被释放 ， 这些层将自身缠绕成具有高精度和高成材率 (95%) 的紧凑型 3D 设备 。以这种方式生产的纳米生物超级电容器在称为电解质的三种溶液中进行了测试：盐水、血浆和血液 。 在所有三种电解质中 ， 能量存储都非常成功 ， 尽管效率不同 。在血液中 ， 纳米生物超级电容器显示出极好的使用寿命 ， 即使在 16 小时后仍能保持其初始容量的 70% 。使用质子交换分离器（PES）来抑制快速自放电 。
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