植入式复合型电磁-摩擦纳米发电机及其生物相容性研究

Several recent studies have shown that the implantable triboelectric nanogenerator (iTENG) can power the implantable medical devices in vivo. However, the stress generated inside an animal is always very small, leading to a low output performance. Besides, the iTENG’s could affect the functional activity of the organism and the iTENG’s performance could hardly be controlled in vitro. Such limitations blocked iTENG’s application in vivo seriously. Here, we plan to fabricate implantable magnetic-assisted noncontact triboelectric nanogenerator which combines electro-magnetic induction and triboelectrification by introducing a layer of magnetic material and induction coil. The magnetic material layer will make the in vivo iTENG controllable by in vitro magnetic field while the induced current will generated in the induction coil and enhancing the iTENG’s performance when applying alternating magnetic field in vitro. Thus, the problems, low performance in vivo, uncontrollable and affected of organism, are solved. In addition, we will fabricate a self-powered biodetection nanosystem, connecting with a biosensor. Furthermore, to ensure our iTENG can be used in biomedical areas with high compatibility, we plan to study the biocompatibility systematically, which pave the way for iTENG’s future clinical application.

近年来，有研究表明可植入式摩擦纳米发电机能够在体内为可植入式医疗器械供电。但是动物体内运动产生的应力较小导致摩擦纳米发电机收集转换的电能较少，且其会影响生物体器官的正常生理活动，此外，靠体内运动驱动摩擦纳米发电机的输出难以在体外进行控制，这些均限制了它在体内的应用。基于此，本课题拟将电磁感应和摩擦纳米发电进行耦合，在摩擦纳米发电机中加入磁性材料层和电磁感应线圈。磁性材料层使摩擦纳米发电机可以受体外磁场调控，而电磁感应线圈则会在外加磁场下产生感应电流，增强摩擦纳米发电机的输出，从而解决体内摩擦纳米发电机输出小、输出性能不可控及影响机体正常生理活动的问题。同时，我们将此摩擦纳米发电机与生物传感器连接，构建一个自供能生物检测系统，用于检测生物分子。此外，植入式摩擦纳米发电机应用于生物医学领域必须具有良好相容性特征，因此本课题还全面系统的研究该复合型器件的生物相容性，为其未来临床的使用奠定基础。

大量的研究证明摩擦纳米发电机能够有效收集人体运动等机械能，并且成功用于驱动微型传感器及药物传递等。但是摩擦纳米发电机未来能真正在体内作为体内供能单元时仍需要在电能输出、可控性、避免对生物体生理活动的影响及生物相容性等方面进一步的深入研究。因此，使用复合型电磁-摩擦纳米发电机解决了体内摩擦纳米发电机输出小以及输出性能不可控的问题，及全面的系统的对其的生物相容性进行表征，对其未来临床的使用具有重要理论价值和现实推动作用。. 本项目在执行周期内，围绕复合型电磁-摩擦纳米发电机的性能及生物相容性开展研究工作，取得一系列研究成果，完成项目预定目标。并且在项目资助下发表SCI论文14篇，申请发明专利6项。该研究取得的主要成果有：（1）首先，我们利用PVDF电纺纳米线薄膜和PA11电纺纳米线薄膜作为摩擦层制作摩擦纳米发电机，然后将电磁感应和摩擦纳米发电进行耦合，成功制作了具有可控性高输出的复合型电磁-摩擦纳米发电机。（2）其次，我们构建成功的植入式复合型电磁-摩擦纳米发电机能驱动温度传感器，为未来给更多传感器提供电源奠定了基础。（3）我们通过体内外生物学实验验证了植入式复合型电磁-摩擦纳米发电机具有较好的生物相容性，为其临床使用铺平了道路。. 以上研究是以真正临床使用植入式复合型电磁-摩擦纳米发电为传感器等可植入式医疗器械提供电源为最终目标，在设计植入式复合型电磁-摩擦纳米发电机的时候综合考虑输出性能、可控性、避免对生物体生理活动的影响及生物相容性等因素，所以其具有重要的基础研究意义及实际运用价值。