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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(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(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(nèi)的能源轉(zhuǎn)換裝置，以其獨特的工作方式（摩擦起電及靜電感應(yīng)）及有效的能源轉(zhuǎn)換效率受到社會廣泛關(guān)注。iTENG可用于收集不同形式的生物機械能，并將其有效轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(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（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(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(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)新團隊的經(jīng)費支持。

前沿丨生物全可吸收純天然材料摩擦納米發(fā)電機