亮點：成功開發(fā)出基于天然材料的生物全可吸收的摩擦納米發(fā)電機（BN-TENG）。 通過采用不同的封裝結(jié)構(gòu)，BN-TENG在生物體內(nèi)的工作時間實現(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)的心肌細胞簇，可以成功加速心肌細胞簇的跳動速率并提高細胞收縮的一致性。

引言

日益增長的神經(jīng)及心血管疾病對可植入醫(yī)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：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。長期的體內(nèi)植入對可植入醫(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。此類商用電池在實際使用過程長常出現(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，該過程對病人心理及經(jīng)濟帶來極大負擔(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。

近年來，摩擦納米發(fā)電機（TENG）已被證明能夠高效地將環(huán)境機械能轉(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能有效地將生物機械能轉(zhuǎn)化為電能，并應(yīng)用于心臟起搏器、健康監(jiān)測及細胞和組織工程等領(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首次被報道。但是，這些聚合物材料通常價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，來源廣，可持續(xù)和生物相容性良好等特點而受到越來越多的關(guān)注。這使得它們在生物醫(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）在國際頂級期刊 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（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(shè)計天然可降解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，其還具有高效的生物機械能轉(zhuǎn)化效率，BN-TENGs可實現(xiàn)在體內(nèi)及體外正常工作，并將生物機械能有效轉(zhuǎn)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）。通過采用不同的封裝方法，該工作實現(xiàn)了BN-TENGs在體內(nèi)及體外的可控降解。

同時，研究人員將開發(fā)的BN-TENGs作為電壓源用于功能失調(diào)的心肌細胞，成功調(diào)節(jié)了心肌細胞的跳動速率。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，該工作開發(fā)的BN-TENGs具有巨大潛力作為可植入電源驅(qū)動可降解的醫(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）來源于大自然的NBPs具有原料來源廣泛、低廉和可持續(xù)性等優(yōu)點。 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在不同外部負載電阻條件下的輸出功率密度曲線。插圖顯示BN-TENG點亮前后10個商業(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細胞在NBP膜上分別培養(yǎng)1、2和3天后的MTT測試結(jié)果。所有數(shù)據(jù)均以平均值±SD表示。 P值是通過t檢驗來計算的。 * P 《0.05，** P 《0.01，NS =無顯著性差異。 c）L929細胞在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）由不同摩擦對組成的BN-TENG的電輸出性能曲線。上部：開路電壓（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)的輸出電壓隨時間變化對比。 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)量損失比隨時間變化對比。 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胞簇。 e）在電刺激之前和之后，C1中心肌細胞簇的兩個相鄰搏動周期之間的停頓時間。 f）在電刺激之前和之后，在C1中心肌細胞簇的一個搏動周期的持續(xù)時間。 g）電刺激前后四個心肌細胞簇（C1，C2，C3和C4）的搏動速率。搏動率是指心肌細胞簇在一分鐘內(nèi)的跳動次數(shù)。

圖6

組織工程中的電刺激為細胞調(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來調(diào)節(jié)心肌細胞簇的跳動，我們將BN-TENG和叉指電極整合到一個自供電刺激系統(tǒng)中。如圖6a所示，整個刺激系統(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（圖6a，b）。考慮到PDMS封裝層的厚度，心肌細胞和器件之間的界面處的實際電場強度約為8 V·cm^（-1）。

實驗結(jié)果表明，在電刺激后所選取的四個心肌細胞簇的跳動速率明顯加快，以C1區(qū)域為例，相鄰兩次跳動的時間間隔由刺激之前的1.382 s變?yōu)橹蟮?.606 s，且每次跳動所需時間也由之前的0.320 s減小到0.240 s。此外，根據(jù)表征電刺激前后肌細胞簇分散情況的統(tǒng)計結(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，四種心肌細胞群的搏動率變化顯著降低。每個心肌細胞簇之間的搏動頻率趨于一致，并在刺激后保持一致。其原因可能是電刺激增強了細胞間通訊，重建了功能失常的心肌細胞簇的收縮功能，這在以前的文獻中得到了證明。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)異常心肌細胞。它可能為治療一些心臟病如心動過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，首次對物種天然材料的“摩電序”進行了排列，即EW》 SF》甲殼素》纖維素》 RP。通過采用不同材料（U-SF和M-SF）作為封裝層，BN-TENG在體內(nèi)和體外的工作時間可調(diào)控，從數(shù)天到數(shù)周不等。此外，通過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作為心肌細胞跳動速率調(diào)節(jié)的刺激電壓源，心肌細胞簇的跳動速率被成功增強，細胞收縮一致性得到進一步改善，該工作為心動過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，該工作開發(fā)的基于天然材料的生物全可降解摩擦納米發(fā)電機（BN-TENG）具有巨大潛力作為電源驅(qū)動可植入醫(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)。