可控溶解速率的可生物降解电子器件研究取得突破

2024年6月27日，宾夕法尼亚州立大学（2024USNews美国大学排名：60）的工程学院研究团队在《Advanced Functional Materials》杂志上发表了一项关于可控溶解速率的可生物降解电子器件的研究成果。这项研究由宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系的James L. Henderson Jr.纪念副教授Huanyu “Larry” Cheng领导，Ankan Dutta是论文的共同第一作者之一。研究人员通过实验控制可生物降解电子器件的溶解速率，使用可溶解元素如无机填料和聚合物来封装设备。研究表明，使用氧化锌或二氧化硅填料封装可生物降解设备可以减缓器件的降解速度，使其能够在体内保持超过40天而不降解。研究团队还发现，在体内涂覆硅二氧化物片段可以最好地控制器件的降解速率。通过模拟，研究人员确定了封装的宽度和厚度比例（即纵横比）对器件降解起始的影响。研究结果表明，他们正在实现所谓的“按需可瞬时电子”，可以被动地控制植入物在体内的降解速度。韩国大学的合作者使用Dutta的模拟结果制造了可生物降解植入物的原型。研究还探讨了主动降解植入物的过去研究，发现被动降解的设备更具成本效益和未来潜在临床应用价值。该研究得到了韩国政府和美国国立卫生研究院等机构的支持。

可控溶解速率的可生物降解电子器件

可控溶解速率的可生物降解电子器件是近年来生物医学工程领域的一个重要研究方向。这类器件的核心在于其能够在完成特定功能后，按照预定的时间表在体内自然降解，从而避免了二次手术取出植入物的风险。这不仅减少了患者的痛苦，也降低了医疗成本。

在这项研究中，宾夕法尼亚州立大学的团队通过使用氧化锌和二氧化硅等无机填料，成功地延长了可生物降解电子器件在体内的存留时间。具体来说，他们发现使用这些填料封装的设备可以在体内保持超过40天而不降解。这一发现为未来的临床应用提供了重要的技术支持。

氧化锌和二氧化硅填料的应用

氧化锌和二氧化硅作为填料在可生物降解电子器件中的应用，主要是为了控制器件的降解速率。研究表明，这些填料能够有效地减缓器件的降解速度，使其在体内的存留时间更长。这对于需要长时间监测或治疗的医疗应用来说，具有重要意义。

例如，在一些需要长期监测的疾病中，如心脏病或糖尿病，植入式传感器可以持续监测患者的生理参数，并在必要时提供药物释放。通过使用氧化锌或二氧化硅填料，这些传感器可以在体内保持更长时间，从而提供更长时间的监测和治疗。

封装宽度和厚度比例对降解的影响

研究人员通过模拟实验，确定了封装的宽度和厚度比例（即纵横比）对器件降解起始的影响。结果表明，封装的纵横比对器件的降解速率有显著影响。具体来说，较大的纵横比可以延缓器件的降解，而较小的纵横比则会加速降解。

这一发现对于设计可生物降解电子器件具有重要指导意义。通过调整封装的宽度和厚度比例，研究人员可以精确控制器件的降解速率，从而实现“按需可瞬时电子”的目标。这种技术可以广泛应用于各种医疗植入物，如药物释放系统、植入式传感器等。

被动降解与主动降解的比较

在可生物降解电子器件的研究中，降解方式是一个重要的研究方向。一般来说，降解方式可以分为被动降解和主动降解两种。被动降解是指器件在体内自然降解，而主动降解则是通过外部刺激（如电场、光照等）来控制器件的降解。

宾夕法尼亚州立大学的研究团队在这项研究中，重点探讨了被动降解的优势。他们发现，被动降解的设备不仅更具成本效益，而且在未来的临床应用中也更具潜力。相比之下，主动降解虽然可以更精确地控制降解时间，但其复杂的控制系统和高昂的成本限制了其广泛应用。

例如，在一项关于商用锌合金（Zn-5 Al-4 Mg）的研究中，研究人员评估了其生物相容性和体外降解行为，并与纯锌进行了比较。结果显示，锌合金与纯锌相比具有类似的生物相容性，但其降解速率更高。这表明，锌合金作为临时微型植入物的潜在材料，具有重要的应用前景。

未来的研究方向和应用前景

这项研究的成果为未来的可生物降解电子器件的研究和应用提供了重要的技术支持。通过控制器件的溶解速率，研究人员可以设计出更为精确和高效的医疗植入物，从而提高患者的生活质量。

未来的研究方向可以包括以下几个方面：

1. 材料的优化：进一步研究和优化用于封装的材料，如氧化锌和二氧化硅，以提高其生物相容性和降解性能。
2. 器件的多功能化：开发具有多种功能的可生物降解电子器件，如同时具备监测和治疗功能的植入物。
3. 临床试验：开展大规模的临床试验，验证这些可生物降解电子器件在实际医疗应用中的效果和安全性。
4. 成本控制：研究如何降低这些器件的生产成本，使其能够在更广泛的医疗领域中应用。

结论

宾夕法尼亚州立大学的这项研究在可生物降解电子器件领域取得了重要进展。通过控制器件的溶解速率，研究人员成功地延长了器件在体内的存留时间，为未来的临床应用提供了重要的技术支持。使用氧化锌和二氧化硅填料封装的设备，可以在体内保持超过40天而不降解，这一发现为未来的医疗植入物设计提供了重要的参考。

此外，研究还表明，被动降解的设备更具成本效益和未来潜在临床应用价值。相比之下，主动降解虽然可以更精确地控制降解时间，但其复杂的控制系统和高昂的成本限制了其广泛应用。

未来的研究方向可以包括材料的优化、器件的多功能化、临床试验和成本控制等方面。这些研究将进一步推动可生物降解电子器件的发展，为患者提供更为高效和安全的医疗解决方案。

总的来说，这项研究不仅在技术上取得了重要突破，也为未来的医疗应用提供了广阔的前景。通过不断的研究和创新，我们有理由相信，可生物降解电子器件将在未来的医疗领域中发挥越来越重要的作用。

参考新闻资料:

1. Biodegradable Electronics with Controlled Dissolve Rate at Penn State University
2. 网页内容: Just a moment…Enable JavaScript and cookies to continue
3. Biocompatibility and Biodegradation Studies of a Commercial Zinc Alloy for Temporary Mini-Implant Applications | Scientific Reports

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