當前位置：
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：心內壓傳感器、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常出現(xiàn)發(fā)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(jīng)濟帶來負擔。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（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可用于收集不同形式的生物機械能，并將其有效轉換電能，此類生物機械能可源于心跳、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于心臟起搏、健康監(jiān)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(tǒng)研究所科學家王中林，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(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(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、生物降解可調節(jié)性及生物可吸收性。此外，其還具有生物機械能轉化效率，BN-TENGs可實現(xiàn)在體內及體外正常工作，并將生物機械能有效轉化為電能，BN-TENGs大輸出電壓可達55V，電流可達0.6μA，功率密度可達21.6mWm-2。通過采用不同的封裝方法，該工作實現(xiàn)了BN-TENGs在體內及體外的可控降解。
同時，研究人員將開發(fā)的BN-TENGs作為電壓源用于功能失調的心肌細胞，成功調節(jié)了心肌細胞的跳動速率。當BN-TENGs完成預定任務后，植入到SD大鼠體內，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動可植入醫(yī)療電子器件，在完成其既定任務后，可被生物體自行降解吸收，避免二次手術。
相關研究成果以FullyBioabsorbableNatural-Materials-BasedTriboelectricNanogenerators為題發(fā)表《先進材料》（AdvancedMaterials，DOI:10.1002/adma.201801895）上。該項工作得到了科技部國家研發(fā)計劃（2016YFA0202702,2016YFA0202703）、國家自然科學基金（31571006,81601629,61501039）、北京市人才（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(chuàng)新團隊的經(jīng)費支持。
(來源:內蒙古發(fā)電機xccar.com.cn)
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。
