3.4毫克镁离子、3天降解：MIT把电池做成了糯米纸

一块长条电池在体液里完全暴露24小时，镁负极溶解产生的镁离子和氢氧化镁总量约3.4毫克，钼的溶解产物每天不到1毫克。这两个数字都低于每日摄入参考水平。这是麻省理工学院（MIT）团队为一块"纸电池"做的最坏情况估算。

受糯米纸糖果启发，他们开发出一种能在消化道内降解的电池。正负极用两种人体必需的矿物质制作，完成工作后逐步分解。相关研究9月21日发表于《自然-化学工程》（Nature Chemical Engineering）。

为什么非要能"化掉"

一枚纽扣电池卡在食道里，电流会在负极一侧电解组织液，生成强碱，迅速导致严重灼伤，随后发展为食道穿孔、气管食管瘘。腐蚀一旦延伸至主动脉，患者的生命将难以挽回。

同样的电池也装在胶囊内镜和电子药丸里，与消化道隔着一层壳，在体内运转1到3天后随粪便排出，器件安全性相对可控。可一旦进入每天服用、或在胃里工作数天的场景，设备卡住、外壳破损等意外情况的发生概率就会随时间累积。

吞服式器件对电源的要求相当苛刻：电池要塞进直径不到1厘米的胶囊，在胃酸环境下稳定输出功率，最好还能在完成任务后自行消失。人的胃液pH可低至1左右，对电子器件而言算得上"极端环境"。

现有方案很难同时满足这些要求。胶囊内镜和电子药丸普遍使用不可降解的氧化银电池或锂离子电池。替代方案包括从胃酸、体温或体外电磁波中获取电能，但输出功率低且不稳定，往往要额外配置升压电路和储能元件，挤占空间。锌基可降解方案能量密度偏低，难以驱动耗电较大的器件。

一张薄片是怎么做出来的

研究人员把目光转向镁。它的理论容量高、电极电位低，在体液中的溶解速率可控，是理想的可降解负极材料。

这条路并非从零开始。2014年，西北大学材料科学家约翰·罗杰斯与尹斓等人造出一种全可降解电池，负极是镁箔，铁、钼或钨为正极，使用磷酸盐缓冲盐水（PBS）作为电解质。当时这种电池需要多节串联才能点亮一只发光二极管。尹斓团队在2018年改进设计，用三氧化钼做正极，工作电压可达到1.6~1.8伏，足以驱动微型电子元件运转。

但早期镁–三氧化钼电池还有短板：用黄原胶或聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）正极粘结剂做出的电极偏厚、贴合不牢，降解周期也更长；电解质多沿用PBS，镁在其中容易直接与水反应生成氢气，消耗电子，影响电池容量和稳定性。

纸电池研究的主导者、MIT机械工程系副教授吉奥瓦尼·特拉维索在接受《自然》新闻采访时表示，要想让电池安全降解，能用的材料其实很有限。普通电池中，储存化学能的电极含有对人体有毒的金属元素，在两极间输送离子的电解质是有机溶剂，而包裹组件的外壳会变成尖锐碎片划伤消化道。

研究人员用其他材料逐一替换了这些组件。负极选用AZ31镁合金，其标准电极电位比锌等常见负极更低，能量密度高，价格也相对便宜。

正极的设计是关键技术突破之一。团队参考糯米纸糖果的结构，把负责接收电子的三氧化钼、充当粘结剂的纤维素纳米纤维和提供导电通路的活性炭按一定比例混成浆料，烘干成一张薄片，再用激光切出所需形状，贴在钼箔集流体上。与早期使用的大颗粒粘结剂相比，纤维素纳米纤维可以精确控制电极厚度和活性物质的负载量，电极更薄、更结实；在纤维素酶的作用下，它最终的水解产物是寡糖和葡萄糖。

性能提升的关键则是电解质。团队将氯化胆碱与乳酸混合，得到一种可生物降解的离子液体，再把它掺进由明胶、甘油和PBS组成的凝胶里，涂在正极与负极之间。实验显示，这种凝胶电解质的表现优于其他常用电解质。

把组装好的电池浸入熔化蜂蜡中，封装层就做好了。蜂蜡的熔点约60°C，封装时不会烫坏内容物，它还能在胃酸中提供短期保护。模拟胃液实验中，这款电池可在3天内保持结构完整。如果要延长工作时间，可以再叠加一层更防潮、更耐腐蚀的小烛树蜡。

猪胃里的72小时

团队在与人类体重相近的实验猪体内开展了三组实验，验证电池在胃里的工作时间，以及能否驱动不同类型的电子器件。

研究人员把电池固定在猪胃内，72小时后经内镜取回，电池仍能正常输出，电压和容量随时间逐步下降，与设计的降解节奏一致。

团队使用自主开发的可吸收射频识别（RFID）胶囊进行了服药追踪测试。初版胶囊不带电池，读卡器需要贴近身体才能读取信号。新方案在胶囊里装上了一枚纸电池，还为药物留出约四分之三的空间。读卡器在1.5米外就能捕捉到胶囊进入食道时的信号变化。

纸电池还能为胃电刺激（GES）设备供电。该疗法目前需要通过手术植入电极，吉奥瓦尼实验室此前开发的吞服式刺激胶囊使用氧化银电池，新版胶囊换用两节长条纸电池，单节即可连续3天驱动刺激电路；在猪胃中观察到刺激起效，且未出现黏膜损伤。

尹斓在媒体采访中评价道，纸电池的性能与同类可降解电池相当，突出之处在于完成了与实际吞服系统的集成，并在大型动物体内实现了多日运行。

离临床还有多远

目前，团队正在推动可降解射频识别胶囊进入人体试验，希望在两年内用于首批患者。

在走向临床前，纸电池的性能还要进行更严密的验证。动物实验中，所有胶囊都在麻醉状态下由内镜放置，不涉及真实吞咽。在真实场景中，进食状态、胃液酸度波动、黏液和胃肠蠕动差异都会改变胶囊停留时间和与液体的接触程度，这些因素对降解速度的具体影响有待研究。

团队还观察到不同电池单元之间存在性能差异。如果要走向大规模应用，后续还要优化工作寿命与降解速度，系统测试其保质期和储存稳定性，进行长期安全性和药代动力学研究，并设计更稳定的量产工艺。

搭载纸电池后，胶囊中的芯片或电路板依然无法降解。未来，吉奥瓦尼团队计划开发出完全可吸收的电路，让吞服式电子器件真正摆脱"取出来"的步骤。