磁致伸缩原理驱动的可植入式压电纳米发电机及其体内应用研究

Implantable medical devices(IMDs) have shown great potential in the prevention and treatment of diseases, but continuous power supply restricts its further development and application. Directly powering IMDs or charging its power unit by devices that can generate electric energy in vivo is an effective way to solve this problem, which is of great importance for improving the lifespan of IMDs. As a device that uses stray mechanical energy to generate electricity, nanogenerator(NG) has its unique advantages in powering IMDs. However, due to the low energy density and uneven distribution in the living body, the output power of the NG cannot meet the energy requirement of the IMDs. Moreover, the energy collecting process will inevitably affect the normal physiological activity of the organism. Therefore, we intend to combine the magnetostrictive effect with the NG to construct a new wireless driven mode, which is independent of the living body, and highly controllable in intensity and frequency. Based on the driven mode, we develop a new implanted piezoelectric NG by optimizing the output performance of piezoelectric composite. Using the energy input from the outside not only improves the output power of implantable NG, but also avoids the influence on normal physiological activity of the organism. In addition, we also systematically study the biocompatibility of the NG, which will promote its application in biomedicine field.

植入式医疗器件（IMDs）在疾病的预防与治疗方面展现出巨大的应用潜力，但电能的长期持续供给问题限制了其进一步发展。使用可在生物体内发电的器件直接为IMDs供能或为其供能单元充电是解决该问题的有效途径，对提高IMDs的使用寿命具有重要的意义。纳米发电机（NG）作为一种利用杂散能量发电的器件，在为IMDs的供能上具有其独特的优势。然而由于生物体内能量密度较低，随时间、空间分布不均匀，不但使NG的输出功率无法满足IMDs的能量需求，而且还会影响生物体内的正常生理活动。因此，本项目拟利用磁致伸缩效应构建出一种不依托于生物体，且强度和频率高度可控的无线驱动方式；同时通过优化压电复合物的发电性能开发出磁致伸缩原理驱动的高输出植入式NG。利用体外磁场输入的能量实现该NG体内发电性能的大幅提高，并有效避免对生物体内生理活动的影响。此外，本项目还将系统研究它的生物相容性，为其在生物医学领域的应用奠定基础。

大量的研究证明压电纳米发电机是一种优异的机电转换微能源器件，能够有效地收集人体运动等产生的机械能并用于驱动微型传感器及药物传递等。但是,目前压电纳米发电机在走向生物体内应用的进程中仍缺乏电能输出、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。基于此，本项目利用磁致伸缩原理构建出新型无线驱动的压电纳米发电机，解决了体内压电纳米发电机输出小以及输出性能不可控的问题，并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，围绕基于磁致伸缩原理的压电纳米发电机的性能及生物相容性开展研究工作，取得了一系列研究成果，完成项目预定目标。在本项目的资助下共发表SCI论文4篇，其中Nature Communications论文1篇，申请发明专利2项。本研究取得的主要成果有：（1）首先，我们熔盐法制备了钛酸钡纳米线，通过介电泳使纳米线PMDS中取向排列作为压电单元，然后将磁致伸缩材料与该压电单元进行耦合，成功制作了利用外磁场驱动的高输出压电纳米发电机；（2）其次，我们成功地基于该压电纳米发电机构建了实时探测生物体内温度的自驱动温度传感系统，为未来给更多植入式传感器提供电源奠定了基础；（3）最后，我们通过体内生物学实验验证了基于磁致伸缩原理的压电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压电纳米发电机技术为传感器等可植入式医疗器械提供电源为最终目标，在设计植入式压电纳米发电机的时候综合考虑其输出性能、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。