我校樊瑜波教授团队联合中科院北京纳米能源与系统研究所研制成功纯天然全可吸收摩擦纳米发电机

点击数:    |    加入时间:2018-07-05

北航新闻网7月5日电(通讯员 侯丹丹)近日,我校樊瑜波教授团队与中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士课题组在国际顶级期刊Advanced Materials(IF:21.95)上发表题为“FullyBioabsorbable Natural-Materials-Based Triboelectric Nanogenerators”的论文,北航生物与医学工程学院博士生李虎、刘卓,纳米能源所博士生江文,为该论文共同第一作者,樊瑜波教授、王中林院士和李舟研究员为共同通讯作者。在该工作中研究人员利用五种自然来源的可降解材料(纤维素/甲壳素/丝素蛋白/米纸/蛋清)开发出不同类型的纯天然生物全可吸收摩擦纳米发电机(BN-TENGs)。该工作对五种天然材料进行两两组合测试,对其摩电序进行了排列,为将来设计天然可降解BN-TENGs,以及其他能源收集器件的结构及材料选择提供了研究基础和数据。此项研究被科学网、中国科学报等多家媒体转载报道。

 

BN-TENG基本结构及性能:(a)五种天然材料来源;(b) BN-TENG结构示意图;(c-d) BN-TENG摩擦材料表面结构示意图;(e-j) BN-TENG基本电学输出性能

日益增长的神经及心血管疾病对可植入医疗电子器件的需求越来越多,对其工作性能要求也越来越高。此类电子器件主要包括:心脏起搏器、心脏除颤器、深脑/神经刺激器等。长期的体内植入对可植入医疗器件的体积、稳定性和生物相容性都有很高的要求。现有可植入医疗电子器件的电源主要依赖于商业可充电及不可充电电池。此类商用电池在实际使用过程长常出现发热、容量减小及内部变性等问题。一旦此类电源达到使用寿命,病人不得不接受二次手术将其从体内取出,该过程对病人心理及经济带来极大负担。因此,急需开发一种新的电源给植入式电子器件供能,为解决上述问题提供可行的方案。

植入式摩擦纳米发电机(iTENG)作为一种可植入体内的能源转换装置,以其独特的工作方式(摩擦起电及静电感应)及有效的能源转换效率受到社会广泛关注。iTENG可用于收集不同形式的生物机械能,并将其有效转换电能,此类生物机械能可源于心跳,呼吸,肢体运动及脉搏跳动等。大量的实验已已经证明iTENG转换的电能可成功用于心脏起搏,健康监测及细胞组织工程。

此次研制成功的纯天然生物全可吸收BN-TENGs具有良好的生物相容性,生物降解可调节性及生物可吸收性。此外,其还具有高效的生物机械能转化效率,BN-TENGs可实现在体内及体外正常工作,并将生物机械能有效转化为电能,BN-TENGs最大输出电压可达55V,电流可达0.6μA,功率密度可达21.6mWm-2。通过采用不同的封装方法,该工作实现了BN-TENGs在体内及体外的可控降解。

同时,研究人员将开发BN-TENGs作为电压源用于功能失调的心肌细胞,用于调节心肌细胞的跳动速率。当BN-TENGs完成预定任务后,植入到SD大鼠体内,BN-TENGs可被SD大鼠降解并吸收。该工作为心率过缓,心率不齐等疾病提供了新的治疗方法。此外,该工作开发的BN-TENGs具有巨大潜力作为电源驱动可植入医疗电子器件,在完成其既定任务后,可被生物体自行降解吸收,避免二次手术。

编辑:宋超

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