生物相容性电池是安全可靠地为下一代可穿戴和植入式医疗设备供电的核心。然而，传统化学体系与刚性封装仍难以适应柔软、动态的生物环境。本综述系统评述了生物相容性电池系统的材料与结构设计策略，重点关注其在生物传感器等生物医学电子器件中的集成应用。首先明确了植入式与体表贴合电源的具体要求，包括生物相容性、能量密度、电压稳定性以及与组织皮肤的机械相容性。随后探讨了有机无机材料、液态金属和纳米结构电极如何实现柔性、可拉伸及部分可降解的储能功能，同时阐述了气相沉积、弹性体压印和先进光刻技术作为微型化结构制造的关键路径。研究中重点关注界面工程、封装技术、界面稳定化和表面改性，以减轻器件-组织界面和电极-电解质界面处的电化学漏电流、炎症反应及机械失配问题。%%针对可降解系统能量密度受限、长期机械/电化学稳定性、规模化生产以及严格监管与安全要求等现存障碍，本文结合近期植入式器件示范案例进行了批判性评估。本综述最后概述了材料与界面设计领域的潜在发展方向，包括生物相容性纳米结构电极与生物匹配封装技术，这些是实现临床可行、应用导向型生物相容性电池的关键步骤。此类电池需与可穿戴及植入式生物传感器实现无缝集成。

图文摘要

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引言

生物可降解电子器件（或称瞬态电子器件）作为一类革命性技术应运而生，其特点在于在预设功能寿命结束后，能够在水性生理或环境介质中按程序溶解[1][2][3]。通过突破传统电子系统的局限，这些平台有效解决了生物医学与生态领域的核心瓶颈问题。在临床应用中，瞬态电子植入物可实现伤口愈合、组织再生及神经调控等过程中的临时传感、刺激与治疗干预，从而避免二次手术取出。这种瞬态特性显著降低了慢性炎症、感染及手术并发症风险，同时缓解了患者的长期负担并降低了医疗成本[4][5][6][7][8]。除医疗领域外，生物可降解电子器件为传统设备提供了环境可持续的替代方案，有助于减少电子废弃物并缓解不可降解有毒材料对环境的影响[9][10][11][12]。
可生物降解电子器件的实现，关键在于开发出柔软、灵活且可拉伸的器件平台，这些平台需能适应动态生物组织的力学特性。与刚性电子系统相比，机械柔性可拉伸结构能够承受大幅形变与持续运动，从而实现与柔软器官的稳定紧密集成。该领域的进展源于材料设计、器件架构与超薄结构工程的突破——通过降低弯曲刚度，可在不影响机械完整性的前提下实现极致柔性[13]。图1[21]总结了植入式生物电子器件的演进历程：从早期刚性起搏器到当代无线、柔性且可生物降解的系统。
近期研究进一步将可生物降解柔性电子器件拓展至可穿戴与表皮平台，实现了持续、无创的生理监测功能[22][23][24][25][26]。为评估新兴电池技术的性能表现，表1对比了医疗设备中替代性能量收集方案。%%生物相容性电池的能量密度通常低于传统锂基体系。目前最先进的锂离子电池及锂金属/固态电池普遍具备200–300 Wh kg在全电池层面，经过优化的设计可实现超过300-500 Wh/kg的能量密度⁻¹及>250 Wh/L⁻¹的实际配置[28]。⁻¹ in practical configurations [28].
新兴的锂硫和锂金属化学体系在原型电池中可实现相近甚至更高的比能量（约300–500 Wh kg⁻¹）。相比之下，依赖温和电极、水性/生物聚合物电解质或生物流体激活反应的生物相容性与瞬态电源，其单位质量或单位面积存储的能量通常要低数个数量级，往往处于μWh–mWh cm⁻²区间；若计入封装结构与支撑部件，其比能量更远低于50 Wh kg⁻¹。这种差异反映出必须替代高容量但具毒性或反应活性材料（例如锂金属、过渡金属氧化物）替换为更安全、可降解且机械顺应性更好的组件，这本质上限制了可实现的电压窗口、活性物质读档以及长期循环稳定性in vivo [11], [12], [29], [30], [31].
相反，可生物降解和生物流体激活的电池虽为瞬态电子器件提供了本质安全性和兼容性，但仍受限于低能量密度、有限的功率输出（ %% 即 %% 典型性能约为0.03–7 mWh cm %% 能量与≈10–200 μW cm %% 功率）以及长期稳定性方面尚未解决的难题体内在机械动态和化学异构条件下的稳定性。为克服这些限制，近期研究探索了无溶剂固态锂电池、紧凑型镁空气系统、采用生物聚合物电解质的可生物降解薄膜镁电池，以及为可穿戴供电纺织品设计的仿生锌基电池[32]。⁻²互补性能量收集策略，包括基于丝素蛋白离子交换膜的盐度梯度系统和压电发电机，也被提出以增强植入式电源的可持续性与自主性[33]。尽管取得显著进展，如何在能量密度、机械顺应性、生物相容性和可控降解性之间实现最佳平衡仍是核心挑战[12][31]。⁻² power), and unresolved challenges related to long-term in vivo stability under mechanically dynamic and chemically heterogeneous conditions. To overcome these limitations, recent efforts have explored solvent-free solid-state lithium batteries, compact magnesium-air systems, biodegradable thin-film magnesium batteries employing biopolymer electrolytes, and bioinspired zinc-based batteries designed for wearable power textiles [32]. Complementary energy-harvesting strategies, including salinity-gradient systems based on silk fibroin ion-exchange membranes and piezoelectric generators, have also been proposed to enhance the sustainability and autonomy of implantable power sources [33]. Despite substantial progress, achieving an optimal balance among energy density, mechanical compliance, biocompatibility, and controlled degradation remains a central challenge [12], [31].
因此，本综述聚焦三个关键目标：（i）评估现有电池化学体系与器件架构在多大程度上满足不同植入类别的定量功率、寿命和机械要求；（ii）批判性评估长期体内生物相容性材料与封装策略的性能表现；(ii) 识别具有现实潜力、能够缩小与传统锂基电池在能量密度和安全性方面持续差距的材料级与系统级创新。总体而言，这些观点凸显了新一代生物相容性能量存储系统在实现可穿戴及植入式生物医学电子设备未来发展中的关键作用。本综述文章对植入式和可穿戴生物医学系统的生物相容性电池技术进行了批判性与整合性分析，其研究深度超越了现有综述中常规的以材料为核心的总结性描述。与先前主要孤立强调电化学性能或单一材料类别的研究不同，本综述系统性地将生物相容性电池材料与器件级需求、系统集成限制以及临床转化挑战相耦合。
重点关注新兴混合能源策略，包括生物相容性电池与摩擦电及其他生物力学能量采集器的集成，强调其在延长系统运行寿命而非替代电池方面的互补作用。此外，本综述批判性探讨了人工智能赋能电源管理在植入式系统中日益重要的作用，包括自适应能量控制、预测性退化监测及需求驱动运行。关于长期体内稳定性、封装可靠性、可扩展性和监管合规性等问题被明确指出，同时强调了标准化测试与转化路径中存在的现有不足。通过综述大量文献中的最新进展、新兴趋势及未来展望，本综述旨在提供一个实用且前瞻性的框架，以支持开发可靠、自主且具有临床可行性的植入式生物电子供能系统。

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