當(dāng)前位置：
日益增長的神經(jīng)及心血管疾病對(duì)可植入醫(yī)療電子器件的需求越來越多，對(duì)其工作性能要求也越來越高。此類電子器件主要包括：心內(nèi)壓傳感器、心臟起搏器、心臟除顫器、深腦/神經(jīng)刺激器等。長期的體內(nèi)植入對(duì)可植入醫(yī)療器件的體積、穩(wěn)定性和生物相容性都有很高要求。
現(xiàn)有可植入醫(yī)療電子器件的電源主要依賴于商業(yè)可充電及不可充電電池。此類商用電池在實(shí)際使用過程常出現(xiàn)發(fā)熱、容量減小及內(nèi)部變性等問題。一旦此類電源達(dá)到使用壽命，病人不得不接受二次手術(shù)將其從體內(nèi)取出，該過程會(huì)對(duì)病人心理及經(jīng)濟(jì)帶來負(fù)擔(dān)。因此，急需開發(fā)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(fā)電機(jī)（iTENG）作為一種可植入體內(nèi)的能源轉(zhuǎn)換裝置，以其獨(dú)特的工作方式（摩擦起電及靜電感應(yīng)）及有效的能源轉(zhuǎn)換效率受到社會(huì)廣泛關(guān)注。iTENG可用于收集不同形式的生物機(jī)械能，并將其有效轉(zhuǎn)換電能，此類生物機(jī)械能可源于心跳、呼吸、肢體運(yùn)動(dòng)及脈搏跳動(dòng)等。大量的實(shí)驗(yàn)已證明iTENG轉(zhuǎn)換的電能可成功用于心臟起搏、健康監(jiān)測及細(xì)胞組織工程。
近日，在中國科學(xué)院外籍院士、中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所科學(xué)家王中林，研究員李舟及北京航空航天大學(xué)教授樊瑜波的指導(dǎo)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(fā)出不同類型的純天然生物全可吸收摩擦納米發(fā)電機(jī)（BN-TENGs）。該工作對(duì)五種天然材料進(jìn)行兩兩組合測試，對(duì)其摩電序進(jìn)行了排列，為將來設(shè)計(jì)天然可降解BN-TENGs，以及其他能源收集器件的結(jié)構(gòu)及材料選擇提供了研究基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)。
該工作開發(fā)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(diào)節(jié)性及生物可吸收性。此外，其還具有生物機(jī)械能轉(zhuǎn)化效率，BN-TENGs可實(shí)現(xiàn)在體內(nèi)及體外正常工作，并將生物機(jī)械能有效轉(zhuǎn)化為電能，BN-TENGs大輸出電壓可達(dá)55V，電流可達(dá)0.6μA，功率密度可達(dá)21.6mWm-2。通過采用不同的封裝方法，該工作實(shí)現(xiàn)了BN-TENGs在體內(nèi)及體外的可控降解。
同時(shí)，研究人員將開發(fā)的BN-TENGs作為電壓源用于功能失調(diào)的心肌細(xì)胞，成功調(diào)節(jié)了心肌細(xì)胞的跳動(dòng)速率。當(dāng)BN-TENGs完成預(yù)定任務(wù)后，植入到SD大鼠體內(nèi)，BN-TENGs可被SD大鼠降解并吸收。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(fā)的BN-TENGs具有巨大潛力作為電源驅(qū)動(dòng)可植入醫(yī)療電子器件，在完成其既定任務(wù)后，可被生物體自行降解吸收，避免二次手術(shù)。
相關(guān)研究成果以FullyBioabsorbableNatural-Materials-BasedTriboelectricNanogenerators為題發(fā)表《先進(jìn)材料》（AdvancedMaterials，DOI:10.1002/adma.201801895）上。該項(xiàng)工作得到了科技部國家研發(fā)計(jì)劃（2016YFA0202702,2016YFA0202703）、國家自然科學(xué)基金（31571006,81601629,61501039）、北京市人才（2015000021223ZK21）、北京市自然科學(xué)基金（2182091和2162017）以及中組部“頂尖千人”及其創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的經(jīng)費(fèi)支持。
(來源:內(nèi)蒙古發(fā)電機(jī)www.rentzoo.cn)
圖：(a)五種純天然材料來源；(b)-(d)BN-TENG結(jié)構(gòu)示意圖及摩擦層表面結(jié)構(gòu)圖；(e)-(f)BN-TENG作為電源電刺激心肌細(xì)胞。
