心肌细胞机械特性及其基于压电材料的发电特性研究

With the combination and development of information technologies and medical sciences, more and more promising research on personal healthcare exists in implantable devices which enable for real-time in-body detection and treatment, diagnosis and therapy of major diseases, and organ transplantation and so on. Today, in order to operate pacemaker or other implantable devices, battery is required to provide the electrical power. Continuous and long-term power supply generated directly from biological organisms will have great impact on current and future systems. We firstly proposed a concept of mechanical biogenerators based on living myocardial cells. A combination of myocardial cells and some piezoelectric materials can convert mechanical energy to electricity to supply implanted microdevices, due to myocardial cells with outstanding mechanical and rhythmic properties. This project will utilize casting and imprinting techniques to fabricate piezoelectric thin film and electrospinning technique to fabricate piezoelectric nanofibers and then focus on studies on characteristics mechanism of piezoelectric film material and contraction properties of cardiomyocytes, and effect of piezoelectricity and spatial arrangement of electrospun nanofibers on energy conversion mechanism of cardiomyocytes. This project combines micro- and nano-machining technology and biological cell engineering technology to explore: (1) Contraction mechanism of engineered myocardial tissue with specific pattern, (2) Energy conversion of piezoelectric material driven by myocardial tissue and fabrication of energy harvesting devices.

随着信息科学与医疗技术的结合与发展，可植入式器件的研究给体内检测与治疗带来了希望，具体应用在体内生理生化参数的监测，疾病的诊断和治疗，及器官移植等方面。然而，体内可植入式器件的寿命在一定程度上受限于电池的供电时间。最直接的体内供能方案是将体内的能量转换为可利用的电能。 本课题组首次提出基于心肌细胞收缩性的微型发电机概念。由于心肌细胞具有突出的机械性能和节律性，通过相应的压电换能材料，将细胞的机械能转换为电能，有望为体内的微纳器件直接供电。本项目将研究浇铸压膜制备压电薄膜材料，及静电纺丝制备压电纳米纤维材料的方法，进而对匹配压电薄膜材料的相关参数（如厚度，尺寸等）与心肌细胞的机械参数进行研究，同时研究压电纳米纤维的空间排布对心肌细胞的能量转化的影响机理。 本项目将研究出：（1）特定空间排布的心肌纤维组织的机械收缩机理；（2）心肌组织产生的机械能在压电材料上进行能量转换的方法及微器件的实现。

随着信息科学与医疗技术的结合与发展，可植入式器件给体内监测与治疗带来了希望，具体应用于以下方面：体内生理生化参数的长期监测，某些重大疾病的诊断和治疗，以及器官移植等。长期稳定的电能供给一直是阻碍其发展的瓶颈问题。综合器件对电能的供给寿命和工作环境等因素的要求，直接从生物体内收集电能无疑是最有效和便捷的方法。要实现可植入器件在体内“永久”（或长期）工作，可将体内固有的机械能量转换成电能。探索体内可利用的机械振动，利用换能材料将机械能量转换为电能，是给体内电子器件供电的新思路。对于任何一种体内供能方式，最基本的前提是对生物体本身是无创伤的。压电效应是常用于基于机械能的能量转换器/能量收集器的机理。面向体内植入式微纳电子器件和微流体生物器件等的供能应用。如何利用心肌细胞的同步收缩机械特性，结合相应的纳米压电材料，是实现基于心肌细胞的机械能量收集器的全新概念。. 本项目的主要研究内容包括特定空间排布的心肌纤维状组织的机械收缩机理研究，心肌细胞的机械能在压电材料上的能量转化机理和方法研究和微型能量收集器的期间实现，以及匹配的压电材料的压电特性和兼容性研究。. 本项目提出了一种利用特定排布的压电纳米纤维材料将心肌细胞的机械能转换为电能的创新换能方法，实现了基于心肌细胞机械收缩的能量收集器原型。由于器件工作在培养基环境中，所以对器件结构稳定性要求很高，本章详细研究了器件的界面结构，包括细胞与纳米纤维的界面、纳米纤维与PDMS衬底的界面和PVDF与微金线电极的界面，均表现出了稳健的结构。能量收集器的电压输出为200mV，电流输出为45nA，细胞收缩频率为1.1Hz，实现了将心肌细胞的收缩机械能转换为电能。. 本项目提出了一种利用平行排布的压电纳米纤维引导心肌细胞定向排布成膜的方法，并在此基础上实现了心肌细胞的机械能能量转换为电能的创新换能方法，制备了基于心肌细胞机械收缩的压电式能量收集器原型。