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微型固态电池让更小的植入物充电更快

来源:医疗设备商情     发布时间:2022-02-28
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凭借固态电解质、高能量密度和薄的封装,固态电池变得越来越小,这有助于推动医疗植入物的发展。

自 Åke Senning 将第一个心脏起搏器植入患者体内已经过去了六十多年。尽管今天起搏器的疗效得到显著改善,但仍然适应于同样的原则:电池向脉冲发生器供电,以维持患者足够的心率。

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Ilika 的Stereax 固态电池(图片来自Ilika)


类似的原理也可应用于其他医疗领域,例如神经调节装置,它通过有针对性的电刺激来改变神经活动。神经调节最初是为了通过脑深部刺激来治疗慢性疼痛而开发的,但随着对这一领域的深入了解,它的用途已从缓解疼痛扩展到其他类型的治疗,包括帕金森症、盆腔疾病和心绞痛。


通常,患者必须前往医疗机构进行此类治疗或使用电池组为植入物供电。如果可以通过集成的电源使植入物变得更小,那么将为该领域创造更多的机会。


例如,可以开发心脏传感器和无引线起搏器,并使用导管将其植入心脏。这种类型的治疗会带来很多益处:手术的侵入性更小,患者的恢复时间更短,感染的风险也更小,而且整个过程更快且成本更低。


更好的电源还可以确保植入物能在更长的时间内保持原位,从而减少整体手术量。最后,通过加入无线技术,可通过植入物中的附加传感器提供有关患者状况的更高级别的信息。相同的无线技术也可让修改设备的程序更容易。


固态电池是缩小植入物的关键


设计小型医疗设备的主要障碍是电池。组成神经调节装置或起搏器的其他主要部件已经实现小型化,例如微控制器、电源管理芯片和无线控制器。


目前,用于医疗植入物的电池拥有庞大的体积,且不可充电。如果患者必须进行手术才能更换电池,那么重要的是将尽可能多的能量储存到位以延长手术之间的间隔。


可充电电池是进一步延长手术间隔时间的理想选择,但从历史上看,患者在被要求对其植入物充电时表现出较低的依从性。可充电电池技术也存在其他问题,例如锂离子技术中使用的液体电解质可能会起火。


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由Ilika 电池供电的髋关节植入物(图片来自Ilika)


不过,最近的电池技术取得了突破,可以为医疗产品开发人员提供更小且可充电的解决方案。固态电池使用对患者安全的固体电解质,这意味着它们不需要其他电池使用的笨重的金属封装。


固态电池还具有其他优点,例如大约 10 分钟的快速充电时间,这应该可以解决给电池充电的问题。高能量密度结合薄的封装,意味着固态电池可以做得更小,同时提供相似的能量。


固态电池用于医疗植入物的一个实际例子是 Ilika 的 Stereax M300,它将于今年年底上市。Stereax M300的容量可达300µAh,能轻松充电。可以通过将电池堆叠在一起来增加电池容量,或者在电力需求高时添加单个电容器来提升短期输出。Stereax M300的高度不到一毫米,而且外形可定制。它安全且防潮,是医疗应用的理想选择。

医疗应用的未来


固态电池背后的技术仍处于早期阶段。Stereax M300能为低水平电刺激提供足够的功率,例如胃刺激或迷走神经刺激所需的功率。根据Ilika的产品路线图,该公司将推出一系列容量越来越大的电池,从而能为睡眠呼吸暂停等疾病提供中等水平的刺激,最后将能为慢性背痛和脊髓刺激提供更大水平的刺激。


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微型固态电池可用于神经调节装置(图片来自Ilika)


更新的充电技术很快就会出现,让植入这些设备的患者有更多自由。短期来看,超声波技术将允许电池通过人体进行充电。从长远来看,定向无线充电技术将能跟踪整个房间的植入物并持续为其电池充电。类似这样的技术将免除患者充电的负担,并使该技术用于更多对生命至关重要的应用中。


不过,由于电池是一项核心功能,因此需要在设计阶段就充分考虑这一点,而不是等到最后才知道有哪些电池可以工作。此外,一种尺寸并不能适合所有人。因此,在设计阶段尽早参与并与电池制造商合作,才能使这些设备充分发挥其潜力。我们需要围绕医疗设备设计来定制电池,而不是根据标准的电池选项来设计医疗设备。
随着医疗产品设计师和电池供应商的合作更加密切,未来我们将迎来更多令人兴奋的创新的医疗植入物。

英国南安普顿大学孵化出的固态电池技术开发企业Ilika成立于2004年,是世界领先的固态电池技术开发商和新材料研发企业,2010 年于伦敦证券交易所上市。自2008年起,Ilika与丰田合作开发固态动力电池技术。ilika拥有固态电池核心知识产权。通过IP 授权的方式将其固态电池技术运用在包括新能源汽车和运输、电站、智能建筑、医疗等行业。


2016年,Ilika推出了用于工业无线传感器的厘米级Stereax技术,2018年,Ilika与里卡多(Ricardo)英国公司、英国技术创新中心以及英国伦敦大学学院合作开展PowerDrive Line项目;2019年推出了用于微型医疗设备的毫米级微型电池;2020年4月,Ilika完成了1500万英镑的股票配售,以加速其固态电池产业化。


来源:编译自Medical Design & Outsourcing
作者:Denis Pasero,Ilika产品商业化经理


来源:荣格-《医疗设备商情》

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