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Advanced Healthcare Materials:纳米发电机在生物医学领域的应用

自驱动系统是指不需要外部提供能量即可自我运行的工作系统。在过去的10多年里,纳米发电机的提出和改进有效的促进了自供能系统的发展。纳米发电机可将机械能转化为电能,根据发电原理的不同,可分为压电和摩擦两大类型。目前已经成功开发出可采集海洋能、雨滴能、风能等不同形式的纳米发电机。

Advanced Healthcare Materials:纳米发电机在生物医学领域的应用

随着医学的发展,越来越多的穿戴式以及植入式电子医疗器件被应用于人体。如果这些电子医疗器件也能够通过纳米发电机收集生命活动的机械能实现自驱动供能,则将会为这些电子医疗器件的发展带来意义深远的影响。可实现不会耗竭的能量供给,做到“生命不息,能量不止”。由于取消了电池的设置从而可以大大降低器件的体积,并且不会再有电池能量耗尽而必须进行二次手术将其取出更换的情况出现。但由于人体系统的复杂性以及各器官独特的生理特性,开发能利用生命活动机械能供电的纳米发电机的难度比起采集宏观环境中的机械能的发电机要更大一些。

近期,中科院纳米能源所李舟课题组撰写了名为“Nanogeneratorfor Biomedical Applications”的综述论文,发表于Advanced Healthcare Materials期刊。论文系统的总结了纳米发电机在生物医学领域的研究现状,包括在循环系统、神经系统、细胞功能调制、抗菌和生物可降解系统的应用。总体而言,由于心脏是人体内搏动最为持久有力的器官,因此纳米发电机在循环系统里的研究最为普遍,成果也最为丰硕。已经成功研制了利用心跳或呼吸驱动心脏起搏器的压电和摩擦纳米发电机、心脏活动传感器、主动脉血压传感器、脉搏传感器等多种植入式或穿戴式的自驱动设备。在神经系统领域,目前已经开展了利用纳米发电机的输出进行深脑部和坐骨神经的电刺激造成肌肉响应的研究;在细胞功能调制方面,纳米发电机的电能输出可以显著促进干细胞向成骨细胞和神经细胞的分化;在抗菌方面,纳米发电机可以有效杀灭水体中的细菌并阻止水生微生物在物体表面的粘附;在可降解器件方面,业已研制成功可在体内全部降解的纳米发电机,在工作使命完成后,纳米发电机可逐步降解,直到在体内完全消失。

总体而言,纳米发电机在生物医学领域的应用是一个很有前景的研究方向,也具有不小的困难和挑战,亟待进一步的研究投入。本文第一作者为助理研究员封红青和博士研究生赵超超。



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