有源植入式医疗器械的电池技术发展

自1960年第一台植入式心脏起搏器应用以来，各种各样由电池供电的有源植入式医疗器械已被广泛应用于检测和治疗各种疾病，如植入式心脏起搏器与除颤器、多种神经刺激器（包括脑起搏器、脊髓刺激器、迷走神经刺激器、骶神经刺激器、膈神经刺激器等）、药物泵、心电记录器等。以植入式心脏起搏器为例，现在全世界每年有超过500 000个心脏起搏器被植入人体[2]，这些有源装置植入人体长期使用，最关键的一个部件是供电电池，由于特殊的植入人体应用条件，电池需要满足植入式医疗仪器的几个主要要求：高安全性与可靠性，长寿命稳定性，高能量密度等。本文主要介绍有源植入式医疗器械使用的电池应用历史与发展现状。

有源植入式医疗器械的电池应用历史有源植入式医疗器械电池应用的历史，美国的Greatbatch公司扮演了非常重要的角色，它的创始人Wilson Greatbatch被公认在1960年发明了世界上第一台植入式心脏起搏器，当时所用的电池为锌-氧化汞电池，自此氧化汞电池一直持续使用10年以上，但氧化汞电池有着明显的缺点，包括：产生氢气，使其无法做到真正的密封性；自放电高，寿命较短，使得植入产品的寿命小于两年；电池耗尽指示困难等。之后核电池被开发并用于心脏起搏器，虽然它有比较高的可靠性和长的寿命，但核电池所用放射性元的毒性以及其相当长的半衰期是其致命的弱点，实际应用数量和时间都比较短。在这段时间也有可充电心脏起搏器被研发并使用，所使用的是镍镉（Nickel-Cadmium）可充电电池，但是随着后来高密度锂一次电池的使用，这种充电电池也逐步退出在有源植入装置的使用。

在十九世纪70年代早期锂电池被研制出来，Greatbatch先生认为电池是心脏起搏器最重要的部件而且是需要进一步解决的问题，因此在1970年建立了Greatbatch公司，专注于有源植入装置电池的开发。Greatbatch公司取得了锂碘电池技术的专利授权，进行了进一步的技术优化并申请了多项相关专利，之后将其应用到心脏起搏器，1972年第一个锂电池供电心脏起搏器植入人体[3]，所用锂电池是锂碘（Li/I2）电池。锂电池的应用是有源植入装置电池的里程碑，它很好的解决了可靠性和长寿命的问题，在之后的几年里锂电池迅速完全取代了氧化汞等以前的各种电池，现在基本上所有的有源植入式医疗器械都采用锂电池作为电源。事实上直到现在锂碘电池仍是功耗较低的心脏起搏器最广泛使用的电池，除了锂碘电池，还有其他多种阴极材料的锂电池被开发应用，包括Li/Ag2CrO4（锂/铬酸银）电池、Li/SOCl2（锂/亚硫酰氯）电池、Li/CuS（锂/硫化铜）电池、Li/MnO2（锂/二氧化锰）电池、Li/CFx（锂/氟化碳）电池、Li/SVO（锂/氧化银钒）电池等。

有源植入式医疗器械的电池展望

有源植入式医疗器械的快速发展，必然会推动植入用电池技术不断进步，一方面锂电池应用上，会有更新的技术出现，不断提高其各方面的综合性能；另一方面也不断有新材料的电池方案被研究，如2013年美国St Jude Medical公司的一种无电极心脏起搏器Nanostim获得CE的许可，它的尺寸只有41.4 mm×Φ6 mm，是常规心脏起搏器体积的十分之一，寿命却与常规的心脏起搏器相当，它采用的也是一次性电池，研制该起搏器的Nanostim公司的专利提到，所用的电池为BetaBatt公司研制的DECTM电池[24]，这种电池含有放射性元素氚（Tritium）。可以判断，随着有源植入式医疗器械进一步小型化的需求，放射性核燃料电池可能又会重新进入市场应用。还有生物燃料电池的研究也有很多的报道，如MIT发明的植入式葡萄糖燃料电池[25]，它采用硅和铂材料，通过标准的半导体制造工艺流程制作而成，植入人体使用，采用铂为催化剂，将电子从葡萄糖分子中分解出来以产生电能，可以产生3.4 mW/cm2的平均功率和高达180 mW/cm2的峰值功率，这种电池可能会给有源植入装置的供电带来革命性的变化。可应用于有源植入式医疗器械的电池研究，精彩不断，值得期待。