習近平總書記在中共中央政治局第五次集體學習時強調，建設教育強國，龍頭是高等教育。要把加快建設中國特色、世界一流的大學和優勢學科作為重中之重，大力加強基礎學科、新興學科、交叉學科建設，瞄準世界科技前沿和國家重大戰略需求推進科研創新，不斷提升原始創新能力和人才培養質量。
中國人民大學構建了“引領的馬克思主義理論學科，卓越的基礎學科、頂尖的社科學科、創新的交叉學科”的學科布局，為建構中國自主知識體系提供學科支撐。人大理工學科以國家戰略需求為導向，集聚力量進行原創性引領性科技攻關，為科技創新服務于社會發展和惠及廣大人民持續貢獻人大力量！
近日，中國人民大學化學系王亞培教授研究團隊在植入式醫療器械無線供電領域取得重要研究進展，相關研究成果以“Skin Thermal Management for Subcutaneous Photoelectric Conversion Reaching 500 mW”為題發表在國際著名學術期刊Advanced Materials上。
心臟起搏器、腦神經刺激器等植入式醫療器件可以極大地改善患者的癥狀和生活質量，具有重要的意義。但是，這類器件往往難以實現長時間的電能供給，一旦電池能量耗盡，就可能變為無用的“電子廢物”，使得病人不得不再次面對二次手術帶來的巨大風險和經濟負擔以更換電池。近期，中國人民大學化學系王亞培教授研究團隊基于交叉學科研究背景，開發了一系列基于二區近紅外光的長效供電技術，有望徹底解決植入式醫療器件的長期供電問題。
基于二區近紅外光-熱-電能量轉換策略的植入式醫療器件無線供電技術
現有的經皮有線供電技術是一項可以持續提供高功率密度電力的解決方案，但長時間使用經皮供電易引發感染，甚至危及患者生命。相比之下，將能夠穿透皮膚屏障的電磁波轉換為電能的無線充電技術具有更為優異的生物安全性，具備為植入式醫療器件電池長期供電的潛力。波長位于1000-1350 nm的二區近紅外光，具有較高的組織穿透深度和最大組織暴露功率密度。對于同一皮下植入器件，二區近紅外光的理論最大充電能量甚至是其他電磁波的數十倍。
基于上述研究背景，研究團隊提出基于二區近紅外光-熱-電能量轉換策略實現植入式醫療器件無線供電技術。在光照時，該器件可以先通過高光熱轉換效率和低熱輻射率的選擇性吸收涂層將光能轉換為熱能，再通過熱電轉換將熱能轉換為電能。同時，熱防護層的存在可以保證這一過程不會對生物組織造成熱損傷。在此基礎上，研究團隊借助仿真軟件，通過熱管理結構設計、器件內部對流換熱和輻射換熱調控以及引入改性相變儲熱材料等方法，進一步提高器件整體的能量轉換效率。與無防護措施的光熱-熱電器件相比，該方法將熱損耗降低了70%，將能量轉換效率提高超過20倍。更進一步的生物實驗表明，通過外界光照可以令植入兔子腹腔內的器件產生超高輸出功率（10 毫瓦），這足以驅動心臟起搏器或內窺鏡等植入式醫療器件正常工作，與現有的技術方案相比具有顯著優勢。
基于皮膚熱管理的光熱電-光電協同轉換策略提升植入式醫療器件能量利用效率
在前期的研究基礎上，研究團隊進一步提出了基于皮膚熱管理的光熱電-光電協同轉換策略。通過將光-熱-電能量轉換器件與光電轉換器件結合起來，并設計多級熱管理結構，減少光伏電池產生的熱量與生物組織之間的熱交換，并將這部分能量通過熱電器件導出、轉換并儲存在蓄熱材料中。這種設計思路在確保生物安全性的前提下，一方面降低了光伏電池的熱衰竭損耗，提升了光電轉換效率；另一方面，也能將多余的熱量轉化為電能，通過熱電器件實現能量的有效利用。這兩者相互促進，實現了能量的協同轉換，從而顯著提升了器件對近紅外二區光的能量利用效率。
通過動物實驗和臨床試驗，這一設備的極限能量輸出功率被證實可達500毫瓦，最大能量轉換效率達到9.4%，足以直接驅動攝像頭或心臟起搏器等設備。進一步的細胞染色實驗和動物實驗結果表明，該設備對生物組織沒有造成損害。這項成果為植入式醫療器件的未來發展提供了有力的支持。
（兔子體內供電測試）
相關背景以上工作均得到了國家自然科學基金委員會和中國人民大學理工學科建設處的資助，成果分別刊登在國際頂級學術期刊Nature Communications和Advanced Materials上。兩篇文章的第一作者為中國人民大學化學系碩士畢業生呂善知，通訊作者為王亞培教授，中國人民大學為第一通訊單位。詳見Adv. Mater. 2023, 2306903；Nat. Commun. 2022, 13, 6596。
中國人民大學化學系王亞培教授研究團隊長期從事光熱轉換、復雜乳液、綠色電子、醫用材料等領域的科研工作，并重點關注它們在皮膚醫學工程和智慧農林材料與技術等方向上的應用創新。團隊面向國家重大戰略需求，積極推動化學與其他學科的交叉融合，通過構建學科間密切合作，以期解決國家能源環境、臨床醫學、農業科技等領域中面臨的卡脖子難題。
