日益增長的神經及心血管疾病對可植入醫療電子器件的需求越來越多, 對其工作性能要求也越來越高. 此類電子器件主要包括: 心內壓感測器, 心臟起搏器, 心臟除顫器, 深腦/神經刺激器等. 長期的體內植入對可植入醫療器件的體積, 穩定性和生物相容性都有很高要求. 現有可植入醫療電子器件的電源主要依賴於商業可充電及不可充電電池. 此類商用電池在實際使用過程常出現發熱, 容量減小及內部變性等問題. 一旦此類電源達到使用壽命, 病人不得不接受二次手術將其從體內取出, 該過程會對病人心理及經濟帶來極大負擔. 因此, 急需開發一種新的電源給植入式電子器件供能, 為解決上述問題提供可行的方案.
植入式摩擦納米發電機 (iTENG) 作為一種可植入體內的能源轉換裝置, 以其獨特的工作方式 (摩擦起電及靜電感應) 及有效的能源轉換效率受到社會廣泛關注. iTENG可用於收集不同形式的生物機械能, 並將其有效轉換電能, 此類生物機械能可源於心跳, 呼吸, 肢體運動及脈搏跳動等. 大量的實驗已證明iTENG轉換的電能可成功用於心臟起搏, 健康監測及細胞組織工程. 近日, 在中國科學院外籍院士, 中國科學院北京納米能源與系統研究所首席科學家王中林, 研究員李舟及北京航空航天大學教授樊瑜波的指導下, 博士江文, 博士生李虎和劉卓等利用五種自然來源的可降解材料 (纖維素/甲殼素/絲素蛋白/米紙/蛋清) 開發出不同類型的純天然生物全可吸收摩擦納米發電機 (BN-TENGs) . 該工作對五種天然材料進行兩兩組合測試, 對其摩電序進行了排列, 為將來設計天然可降解BN-TENGs, 以及其他能源收集器件的結構及材料選擇提供了研究基礎和數據.
該工作開發的純天然生物全可吸收BN-TENGs具有良好的生物相容性, 生物降解可調節性及生物可吸收性. 此外, 其還具有高效的生物機械能轉化效率, BN-TENGs可實現在體內及體外正常工作, 並將生物機械能有效轉化為電能, BN-TENGs最大輸出電壓可達55V, 電流可達0.6μA, 功率密度可達21.6mW m-2. 通過採用不同的封裝方法, 該工作實現了BN-TENGs在體內及體外的可控降解.
同時, 研究人員將開發的BN-TENGs作為電壓源用於功能失調的心肌細胞, 成功調節了心肌細胞的跳動速率. 當BN-TENGs完成預定任務後, 植入到SD大鼠體內, BN-TENGs可被SD大鼠降解並吸收. 該工作為心率過緩, 心率不齊等疾病提供了新的治療方法. 此外, 該工作開發的BN-TENGs具有巨大潛力作為電源驅動可植入醫療電子器件, 在完成其既定任務後, 可被生物體自行降解吸收, 避免二次手術.
相關研究成果以Fully Bioabsorbable Natural-Materials-Based Triboelectric Nanogenerators 為題發表在最新一期的《先進材料》 (Advanced Materials, DOI: 10.1002/adma.201801895) 上. 該項工作得到了科技部國家重點研發計劃 (2016YFA0202702, 2016YFA0202703) , 國家自然科學基金 (31571006, 81601629, 61501039) , 北京市拔尖人才 (2015000021223ZK21) , 北京市自然科學基金 (2182091和2162017) 以及中組部 '頂尖千人' 及其創新團隊的經費支援.
圖: (a) 五種純天然材料來源; (b)- (d) BN-TENG結構示意圖及摩擦層表面結構圖; (e)-(f) BN-TENG作為電源電刺激心肌細胞
