生物相容性摩擦納米發電機的製備及其電輸出性能研究

《生物相容性摩擦納米發電機的製備及其電輸出性能研究》是依託天津理工大學，由李偉擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：生物相容性摩擦納米發電機的製備及其電輸出性能研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李偉
• 依託單位：天津理工大學

項目摘要

能源供給是植入式醫療器件套用的關鍵，現有電池供電因電能耗盡使病人面臨再次手術風險和經濟負擔。摩擦納米發電機（TENG）的發展為該問題的解決提供了新方式。然而，現階段非生物相容性材料製備的TENG，限制了其在臨床醫學領域的套用。針對上述問題，本課題提出將317L醫用不鏽鋼、尼龍66/乙基纖維素（PA66/EC）的複合物作為摩擦材料製備生物相容性TENG。通過在不鏽鋼、複合物表面設計微納陣列結構，研究其對TENG電輸出性能的影響及其作用機制。通過調控複合物材料成分及表面分子基團含量，藉助有限元分析法對TENG工作狀態進行仿真，構建摩擦電荷在摩擦界面的傳遞機制模型，揭示其對摩擦電荷密度σ0及電荷傳遞的影響機制，為TENG材料成分的設計與開發提供依據。本課題研究的生物相容性TENG，有望實現置入體內收集並電轉化呼吸、心跳等生物體自身能量來驅動植入式醫療器件，在生物醫用領域顯示出巨大套用前景。

結題摘要

本項目基於生物醫學領域電子器件的綠色可持續能源供給問題進行研究。選取生物相容性材料製備摩擦納米發電機(TENG)。結果發現，生物相容性的317醫用不鏽鋼作為摩擦層材料經過等離子蝕刻、普通光刻技術處理及等離子電離處理後，可有效提高其表面摩擦微觀電荷；尼龍66/乙基纖維素按不同比例製備複合薄膜材料脆性大，不易作為摩擦層材料；而乙基纖維素/左旋聚乳酸按不同比例製備複合薄膜，經模板熱壓法，氣泡法等增加表面微觀粗糙度，同時對製備的複合薄膜進行等離子處理，可以有效提高摩擦電荷產生；在不鏽鋼表面粗糙度大於60%，複合薄膜材料1:1熱壓模板或氣泡法製備表面微觀花紋時，電輸出性能最大，製備的摩擦納米發電機可以達到短路電流8μA/cm2（約100μA）和開路電壓200V。證實通過增大摩擦層表面粗糙度、等離子處理、表面微觀分子基團如OH-, -CH3含量等可以有效提高TENG電輸出性能，電輸出性能保守可以提升40-200%。可實現將普通LED燈泡點亮。在生物形容性評價方面，將製備的TENG進行模擬體液浸泡及細胞毒性實驗，結果發現所製備的摩擦納米發電機具有良好的生物相容性。另外，與本課題相關的柔性導電極板的噴墨列印製備方法及第一性原理的套用的也進行了相關研究。