王亚培团队在植入式医疗器械无线供电领域取得新突破

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近日，中国人民大学化学系王亚培教授研究团队在植入式医疗器械无线供电领域取得重要研究进展，相关研究成果以题为“Skin Thermal Management for Subcutaneous Photoelectric Conversion Reaching 500 mW”发表在国际著名学术期刊《Advanced Materials》上。
       植入式医疗器械的演进受到电力供应限制的制约。一旦电池能量耗尽，这些器械就可能变为无用的“电子废物”。经皮供电技术被认为是一项可持续地提供高功率密度电力的解决方案。然而，长时间使用经皮供电极可能引发感染，甚至危及生命。为此，无线充电技术应运而生，它能将无创电磁波转化为电能，被视为更为安全的充能途径。
其中，二区近红外光（NIR-II，1000-1350nm）相对于可见光或其他电磁波，具有更强的组织穿透深度和更高的最大组织暴露功率密度。对于同一皮下植入器件，NIR-II的理论最大充电能量甚至是其他电磁波的数十倍。然而，由于激子快速复合引发的光热效应，传统光伏电池在NIR-II光谱下的光电转换效率较低，同时也会伴随着强烈的热效应。这些热效应不仅降低了光电转换效率，更为严重的是，可能导致严重的生物损害。

        基于这一背景，中国人民大学的王亚培课题组与清华大学合作，提出了一种基于皮肤热管理的光热电-光电协同转换策略。该策略的器件包括光伏电池、空气隔热层、热电器件和相变蓄热材料，能够在光照条件下减少光伏电池产生的热量与生物组织之间的热交换，并通过热电器件将这些热量快速导出并储存在蓄热材料中。这种设计思路在确保生物安全性的前提下，一方面降低了光伏电池的热衰竭，提升了光电转换效率；另一方面，也能将多余的热量转化为电能，通过热电器件实现能量的有效利用。这两者相互促进，实现了能量的协同转换，从而显著提升了器件对近红外二区光的能量利用效率。
       通过动物实验和临床试验，这一设备的极限能量输出功率被证实可达500毫瓦，足以直接驱动摄像头或心脏起搏器等设备。进一步的细胞染色实验和动物实验结果表明，该设备对生物组织没有造成损害。这为植入式医疗器械的未来发展提供了有力的支持。
       该工作的第一作者为中国人民大学化学系与清华大学能动系联合培养的博士生吕善知，王亚培教授为通讯作者。该研究成果得到了国家杰出青年科学基金（21825503）的资助。
        文章来源：中国人民大学
       王亚培,2004年毕业于吉林大学化学学院，获得学士学位，同年保送到清华大学化学系，并于2009年获得清华大学理学博士学位，师从张希院士；2009年~2011年在北卡罗来纳大学教堂山分校从事博士后研究，导师为Joseph M. DeSimone院士；2012年2月加入中国人民大学化学系，担任特聘研究员，2015年7月晋升为教授。