基于天然材料的生物全可吸收摩擦納米發(fā)電機(jī)，起到什么作用？

亮點(diǎn)：成功開(kāi)發(fā)出基于天然材料的生物全可吸收的摩擦納米發(fā)電機(jī)（BN-TENG）。 通過(guò)采用不同的封裝結(jié)構(gòu)，BN-TENG在生物體內(nèi)的工作時(shí)間實(shí)現(xiàn)可調(diào)控，從幾天到幾周不等。完成功能后，BN-TENG可以在SD大鼠中被完全降解和再吸收。使用BN-TENG作為電源刺激功能失調(diào)的心肌細(xì)胞簇，可以成功加速心肌細(xì)胞簇的跳動(dòng)速率并提高細(xì)胞收縮的一致性。

引言

日益增長(zhǎng)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(lái)越多，對(duì)其工作性能要求也越來(lái)越高。此類電子器件主要包括：植入式傳感器、心臟起搏器、心臟除顫器、深腦/神經(jīng)刺激器等。長(zhǎng)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?，F(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(guò)程長(zhǎng)常出現(xiàn)發(fā)熱、容量減小及內(nèi)部變性等問(wèn)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(guò)程對(duì)病人心理及經(jīng)濟(jì)帶來(lái)極大負(fù)擔(dān)。因此，急需開(kāi)發(fā)一種新的電源給植入式電子器件供能，為解決上述問(wèn)題提供可行的方案。

近年來(lái)，摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）已被證明能夠高效地將環(huán)境機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，其原理是基于摩擦起電效應(yīng)和靜電感應(yīng)之間的耦合。這種新興的技術(shù)為自驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備提供了一種解決方案。先前的研究表明，TENG能有效地將生物機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并應(yīng)用于心臟起搏器、健康監(jiān)測(cè)及細(xì)胞和組織工程等領(lǐng)域中。2016年，基于人工合成聚合物材料的全可生物降解的TENG首次被報(bào)道。但是，這些聚合物材料通常價(jià)格昂貴且含有潛在的有害化學(xué)物質(zhì)。與這些人工合成聚合物相比，天然材料聚合物因其低成本，來(lái)源廣，可持續(xù)和生物相容性良好等特點(diǎn)而受到越來(lái)越多的關(guān)注。這使得它們?cè)谏镝t(yī)學(xué)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，如藥物輸送，可吸收縫線和血管支架等。這些天然生物可吸收聚合物（NBPs）主要包括纖維素，甲殼素，絲素蛋白（SF），米紙（RP），蛋清（EW）等。它們具有優(yōu)異的生物降解性、易加工性和良好的成膜性，這使其非常適合作為TENG的組成材料并應(yīng)用于生物體內(nèi)。

成果簡(jiǎn)介

近日，中科院北京納米能源所王中林院士，李舟研究員和北京航空航天大學(xué)樊瑜波教授課題組（共同通訊作者）在國(guó)際頂級(jí)期刊 Advanced Materials上發(fā)表 “Fully Bioabsorbable Natural‐Materials‐Based Triboelectric Nanogenerators”的論文，江文博士，博士生李虎和劉卓為該文章共同第一作者。研究人員利用五種自然來(lái)源的可降解材料（纖維素/甲殼素/絲素蛋白/米紙/蛋清）開(kāi)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(cè)試，對(duì)其摩電序進(jìn)行了排列，為將來(lái)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(kāi)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，其還具有高效的生物機(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最大輸出電壓可達(dá)55V，電流可達(dá)0.6μA，功率密度可達(dá)21.6mW·m^（-2）。通過(guò)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(kāi)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)的BN-TENGs可被SD大鼠降解并吸收。該工作為心率過(guò)緩，心率不齊等疾病的治療提供了新的研究方案。此外，該工作開(kāi)發(fā)的BN-TENGs具有巨大潛力作為可植入電源驅(qū)動(dòng)可降解的醫(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)。

全文解析

圖1 a）來(lái)源于大自然的NBPs具有原料來(lái)源廣泛、低廉和可持續(xù)性等優(yōu)點(diǎn)。 b）典型BN-TENG器件的結(jié)構(gòu)示意圖。 c，d）NBP薄膜表面納米結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡（SEM）和原子力顯微鏡（AFM）圖像。SEM圖下部和上部比例尺：5和1微米。 e-h）使用正向連接（e，f）和反向連接（g，h）測(cè)試BN-TENG得到的輸出電壓和電流性能圖。 i）BN-TENG在不同外部負(fù)載電阻條件下的輸出電壓和電流曲線。 j）BN-TENG在不同外部負(fù)載電阻條件下的輸出功率密度曲線。插圖顯示BN-TENG點(diǎn)亮前后10個(gè)商業(yè)LED的照片。

圖1

圖2 a）RP，甲殼素，纖維素，SF和EW的光學(xué)照片。b）L929細(xì)胞在NBP膜上分別培養(yǎng)1、2和3天后的MTT測(cè)試結(jié)果。所有數(shù)據(jù)均以平均值±SD表示。 P值是通過(guò)t檢驗(yàn)來(lái)計(jì)算的。 * P 《0.05，** P 《0.01，NS =無(wú)顯著性差異。 c）L929細(xì)胞在NBP膜上分別培養(yǎng)1、2和3天后的免疫熒光染色圖。比例尺：50微米。

圖2

圖3 a）基于垂直接觸分離模式的BN-TENG的工作原理示意圖。 b）五種NBP薄膜得失電子能力排序。Kapton薄膜作為參考摩擦層。 c）由不同摩擦對(duì)組成的BN-TENG的電輸出性能曲線。上部：開(kāi)路電壓（Voc）。下部：短路電流（Isc）。

圖3

圖4 a）c）在37℃下浸泡在PBS溶液中，分別用U-SF膜（a）和M-SF膜（c）封裝的BN-TENG隨時(shí)間降解變化圖。 b，d）分別用U-SF膜（b）和M-SF膜（d）封裝的BN-TENG植入到SD大鼠體內(nèi)后隨時(shí)間降解變化圖。（b）和（d）中的所有圖像均由Micro-CT系統(tǒng)重建并用偽彩技術(shù)進(jìn)行處理。

圖4

圖5 a）BN-TENG植入SD大鼠體內(nèi)的示意圖。 b）用M-SF膜封裝的BN-TENG的實(shí)物圖。 c）BN-TENG植入SD大鼠皮下，縫合后植入部位的初始狀態(tài)。 d）8周后植入部位恢復(fù)情況。 e）SD大鼠體內(nèi)BN-TENG植入部位組織的H＆E染色組織切片圖。紅色虛線表示BN-TENG殘留物與皮下組織之間的邊界。藍(lán)色箭頭表示BN-TENG的降解殘基。綠色箭頭表示BN-TENG殘基周圍的再生正常組織。 f）分別用U-SF和M-SF膜封裝的BN-TENG在SD大鼠體內(nèi)的輸出電壓隨時(shí)間變化對(duì)比。 g）分別用U-SF和M-SF膜封裝的BN-TENG在37℃、PBS溶液浸泡條件下質(zhì)量損失比隨時(shí)間變化對(duì)比。 h，i）分別用U-SF和M-SF膜封裝的BN-TENG在SD大鼠體內(nèi)的電輸出電性能隨時(shí)間變化。

圖5

圖6 a）電刺激系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。 b）BN-TENG經(jīng)整流后的電輸出性能。 c）叉指電極的光學(xué)圖像（左）和放大圖像（右）。比例尺：300微米。 d）在叉指電極表面上培養(yǎng)的心肌細(xì)胞的顯微鏡圖像。紅色圓圈（C1，C2，C3和C4）代表四種不同的心肌細(xì)胞簇。 e）在電刺激之前和之后，C1中心肌細(xì)胞簇的兩個(gè)相鄰搏動(dòng)周期之間的停頓時(shí)間。 f）在電刺激之前和之后，在C1中心肌細(xì)胞簇的一個(gè)搏動(dòng)周期的持續(xù)時(shí)間。 g）電刺激前后四個(gè)心肌細(xì)胞簇（C1，C2，C3和C4）的搏動(dòng)速率。搏動(dòng)率是指心肌細(xì)胞簇在一分鐘內(nèi)的跳動(dòng)次數(shù)。

圖6

組織工程中的電刺激為細(xì)胞調(diào)節(jié)和組織修復(fù)提供了一種有希望的途徑。以前的研究結(jié)果證實(shí)了它在臨床和研究環(huán)境中的可行性和有效性。本文中，BN-TENG的電輸出具有較高的電壓和較低的電流，有利于其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中電刺激的應(yīng)用。為了證明可以用BN-TENG來(lái)調(diào)節(jié)心肌細(xì)胞簇的跳動(dòng)，我們將BN-TENG和叉指電極整合到一個(gè)自供電刺激系統(tǒng)中。如圖6a所示，整個(gè)刺激系統(tǒng)是由BN-TENG、整流器和叉指式電極所組成。叉指電極采用50μm厚的聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜封裝，以避免電極與培養(yǎng)基之間的電化學(xué)反應(yīng)（圖6c）。由BN-TENG產(chǎn)生的18V整流輸出電壓連接到叉指電極上以形成直流電場(chǎng)（圖6a，b）?？紤]到PDMS封裝層的厚度，心肌細(xì)胞和器件之間的界面處的實(shí)際電場(chǎng)強(qiáng)度約為8 V·cm^（-1）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在電刺激后所選取的四個(gè)心肌細(xì)胞簇的跳動(dòng)速率明顯加快，以C1區(qū)域?yàn)槔?，相鄰兩次跳?dòng)的時(shí)間間隔由刺激之前的1.382 s變?yōu)橹蟮?.606 s，且每次跳動(dòng)所需時(shí)間也由之前的0.320 s減小到0.240 s。此外，根據(jù)表征電刺激前后肌細(xì)胞簇分散情況的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，刺激前離散系數(shù)為0.81，約為刺激后的2.6倍。這意味著在電刺激后，四種心肌細(xì)胞群的搏動(dòng)率變化顯著降低。每個(gè)心肌細(xì)胞簇之間的搏動(dòng)頻率趨于一致，并在刺激后保持一致。其原因可能是電刺激增強(qiáng)了細(xì)胞間通訊，重建了功能失常的心肌細(xì)胞簇的收縮功能，這在以前的文獻(xiàn)中得到了證明。這種BN-TENG整合的自供電刺激系統(tǒng)可以直接用于協(xié)調(diào)和修復(fù)異常心肌細(xì)胞。它可能為治療一些心臟病如心動(dòng)過(guò)緩和心律失常提供了新的有效解決方案。它也可用于體內(nèi)心肌組織的重建過(guò)程。

總結(jié)與展望

研究人員使用五種天然材料（包括甲殼素，纖維素，SF，RP和EW）開(kāi)發(fā)出生物全可吸收的BN-TENG。這些該工作按照材料得失電子能力的不同，首次對(duì)物種天然材料的“摩電序”進(jìn)行了排列，即EW》 SF》甲殼素》纖維素》 RP。通過(guò)采用不同材料（U-SF和M-SF）作為封裝層，BN-TENG在體內(nèi)和體外的工作時(shí)間可調(diào)控，從數(shù)天到數(shù)周不等。此外，通過(guò)采用不同的摩擦材料組合，BN-TENG在體外的輸出電壓和電流的范圍分別可以達(dá)8-55 V和 0.08-0.6 μA，該電學(xué)輸出性能可滿足不同電子器件的用電需求。將BN-TENG作為心肌細(xì)胞跳動(dòng)速率調(diào)節(jié)的刺激電壓源，心肌細(xì)胞簇的跳動(dòng)速率被成功增強(qiáng)，細(xì)胞收縮一致性得到進(jìn)一步改善，該工作為心動(dòng)過(guò)緩和心律失常等心臟疾病的治療提供了新的治療途徑。BN-TENG在完成其功能后，可被SD大鼠完全降解吸收。綜上所述，該工作開(kāi)發(fā)的基于天然材料的生物全可降解摩擦納米發(fā)電機(jī)（BN-TENG）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)。