济南大学逄金波-刘宏教授等InfoMat综述：纳米发电机在生物医学工程和医养健康中的应用

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2021年6月30日，科睿唯安(Clarivate)正式发布2021年科技期刊引证报告(Journal Citation Reports)，InfoMat获得首个影响因子--25.405！

摘  要

济南大学逄金波-刘宏教授团队、德国德累斯顿工业大学Cuniberti教授立足于纳米发电机在生物医学设备的广泛研究，系统介绍了近年来纳米发电机在生物医学方面的应用，并对纳米发电机在生物医学领域未来的研究重点和发展前景给出了独到的见解。

研究背景

人类的长寿梦想带动了生物医学和医疗保健设备的快速发展。然而，传统的生物医疗和保健设备存在使用寿命短、设备体积大、安全隐患大等缺点。事实上，传统可植入设备的电源仍然主要是电池。新兴的纳米发电机可以从人类身上获取微纳机械能和热能并转化为电能，为生物医学设备的自供电提供了理想的解决方案。纳米发电机与生物医药的结合，将大大加速自供电生物医疗设备的发展。

文章简介

鉴于此，济南大学逄金波-刘宏教授团队、德国德累斯顿工业大学Cuniberti教授等研读341篇文献，撰写了57页综述文章，介绍了近年来纳米发电机在生物医学方面的应用，重点讨论了在生物医学传感器和生物医学治疗领域的应用，并简要论述了在生物消毒和可生物降解等方面的应用。最后，对纳米发电机在生物医学领域未来的研究重点和发展前景给出了独到的见解。

内容提要

1. 总结了纳米发电机在生物医学应用方面的研究进展，包括作为可植入设备电源，智能健康传感器、特定疾病治疗以及微生物消毒、生物降解等方面的应用；

2. 提出了纳米发电机在生物医学领域面临的挑战，以及未来的研究重点和发展前景。

图1. 纳米发电机在生物医学工程和医疗保健设备中的应用

要点1：纳米发电机在生物医学传感器中的应用

1.1 基于BaTiO₃纳米颗粒的自供电葡萄糖传感器

该传感器由基于PVDF/BaTiO₃纳米立方体薄膜的压电纳米发电机（PENG）作为电源为基于BaTiO₃纳米颗粒薄膜的葡萄糖传感器持续供电。

随着葡萄糖浓度的增加，电流呈现出增加的趋势，该传感器显示出良好的响应特性。而且，该传感器对干扰物质(半乳糖和尿酸)的响应几乎可以忽略不计，表现出良好的抗干扰性能。此外，集成自供电传感器中的电压下降也显示出与溶液中葡萄糖浓度的良好函数关系。这些结果表明，该自供电传感器对葡萄糖具有良好的检测性能。

图2. 由PENG驱动的自供电葡萄糖传感器

1.2 基于摩擦电主动式传感器的柔性自供电超灵敏脉搏传感器（SUPS）

SUPS可以实时监测与心血管疾病相关的生理信息。其用于脉搏监测的同步性高于压电脉搏传感器PPT（HK2000A）和光电容积描记器PPG（TSD270B）。因此SUPS可以基于脉搏信号为心血管疾病提供准确、无线、实时的生理信息监测。而且，SUPS还可以对不同的心血管疾病患者进行评估和比较，具有良好的诊断和鉴别诊断能力。此外，通过同时使用两个SUPS还可以对脉搏波速度（PWV）进行来测量，可用于指示动脉硬化的程度。该SUPS有望在未来应用于自供电、可穿戴智能移动诊断、心血管疾病预防等领域。

图3. 基于摩擦电主动式传感器的柔性自供电超灵敏脉搏传感器

1.3 基于TENG的自供电超灵敏心内膜压力传感器（SEPS）

该传感器可以将心腔内的血流能量转化为电能，其电输出可以指示生理和病理心血管状态，包括心内膜压、心室颤动和室性早搏。SEPS具有足够的灵活性和小型化，可以通过微创手术植入心脏。在猪模型中，将SEPS植入左心室和左心房。SEPS在低压和高压环境下都有良好的响应。SEPS实现了超灵敏度、实时监测和体内机械稳定性；获得了出色的线性度(R2 = 0.997)，灵敏度为1.195mV mmHg⁻¹。该装置有望促进用于监测和诊断心血管疾病的微型植入式医疗传感器的发展。

图4. 基于TENG的自供电超灵敏心内膜压力传感器

要点2：纳米发电机在生物医学治疗中的应用

2.1 由TENG驱动的细胞打印系统

该系统可提供5-8 kV的直流高压，产生的微球直径可调，范围为200-400 μm，适用于三维（3-D）细胞培养。每个微球上的电荷，大约只有30 pC，直接证明了这种方法的高安全性。该系统还对HepaRG和HeLa细胞进行了生物打印，具有高细胞活力（超过92%）。这些结果证明，TENGs可以作为一种安全有效的方法用于电辅助细胞打印以及随后的生物医学应用。此外，该结果丰富了TENGs成为一种简单有效的高压电源的可能性。

图5. 由TENG驱动的细胞打印系统

2.2 TENG用于生物医学细胞重编程

摩擦纳米发电机可以成为一种有效的细胞重编程平台，用于生产用于治疗应用的功能性神经元细胞。应用摩擦起电作为电刺激源，以产生周期性的双相脉冲状电流，可加速功能性诱导的神经元（iN）细胞从原代小鼠胚胎成纤维细胞（PMEF）的非病毒直接转化，提高转化效率，并诱导了具有改善的电生理学功能的高度成熟的神经元表型。将非病毒方法与摩擦电刺激平台（TES）一起使用对于治疗神经退行性疾病和神经元疾病具有重要的治疗价值。

图6. 摩擦纳米发电机用于细胞重编程

2.3 由压电能量收集器实现的自供电心脏起搏器

一种灵活的单晶 PMN-PT 压电能量收集器可应用于自供电人工心脏起搏器。该能量收集装置产生的短路电流为0.223 mA，开路电压为8.2 V，转换后的电能用于直接点亮50个商用绿色发光二极管（LED），并为纽扣电池充电以驱动便携式电子设备。使用该能量收集器进行实时功能性电刺激，已成功为活大鼠提供人工心脏跳动。该装置有望作为可持续能源为人工心脏起搏器的电池充电或直接用于刺激心脏。

图7. 基于压电能量收集器的自供电心脏起搏器

要点3：纳米发电机在其他医疗领域的应用

3.1 自供电灭菌系统

该系统由水波波驱动的TENG和两个负载有Ag纳米颗粒的ZnO纳米线制成的纳米刷电极组成。该系统对各种微生物（包括天然河水中的微生物）显示出即时和可持续的杀菌效率。革兰氏阴性菌在电场（EF）处理的0.5分钟内，菌落形成单位（CFU）从106 /mL减少到0。此外，在撤除电场后，细菌消灭能力仍可持续至少20分钟。水波驱动的TENG和Ag/ZnO纳米刷协同工作，可以即时和可持续地进行灭菌，为实际的天然水杀菌提供了有前景的解决方案。

图8. 具有即时和持续灭菌能力的自供电灭菌系统

3.2可生物降解摩擦纳米发电机（BD-TENG）

可降解材料构建的电子器件在体内传感器和治疗设备方面显示出巨大潜力。然而，这些设备中的大多数都需要外部电源才能运行，这可能会限制它们在体内情况下的应用。而该BD-TENG可以在完成其工作周期后在动物体内降解和再吸收，而不会产生任何不利的长期影响。通过使用不同材料制造的BD-TENG实现了可调电输出能力和退化特性。当使用BD-TENG为两个互补的微光栅电极供电时，会产生直流脉冲电场，可使神经细胞生长成功定向，显示出其在神经元修复过程中的可行性。优异的体内输出性能、显著的生物相容性和可调节的降解特性，证明了该BD-TENG作为瞬态植入式医疗设备电源的潜力。

图9. 用于体内生物力学能量收集的可生物降解摩擦纳米发电机

总结与展望

十多年来，纳米发电机已经从材料选择、器件结构和能量产生机制等各个方面进行了深入研究。纳米发电机与生物医疗的结合，加速了自供电生物医疗设备的发展。然而，它在生物医学领域仍处于起步阶段。生物医学和医疗保健纳米发电机的未来仍然会以追求灵活性、稳定性、可持续性和舒适性为目标。

未来的研究方向可包括：

（1）结构设计应进一步小型化，以更有效地植入或附着于人体。

（2）进改进纳米发电机器件的封装策略，以保证植入系统的长寿命。

（3）适当的电源管理模块可以减少纳米发电机设备长期运行的能量损失。

（4）探索具有更佳柔韧性、耐用性和良好的生物相容性的材料以适应各种形状和环境。

（5）提高工作稳定性和传感精度，以减小外部环境因素对纳米发电机的输出稳定性的影响，例如湿度和温度。

作者简介

逢金波副研究员

济南大学

逄金波, 济南大学前沿交叉科学研究院，副研究员，硕士生导师（化学专业，2022年招生1名）。主要研究领域：二维材料的晶圆级可控合成和范德华异质结构筑及其在电子、光电子器件上的应用；碳纳米材料的电子、光电子学应用。主要研究成果：近年来在碳纳米管、石墨烯、过渡金属硫属化合物（二硒化钨）和贵金属硫属化合物（硫化铂、二硒化钯）等低维纳米材料的设计理论、关键合成、基础应用、信息器件等方面做出了较大贡献。以项目负责人承担国家自然科学基金、山东省自然科学基金和国家重点实验室开放基金等多项课题。在包括 Adv. Energy Mater.、InfoMat、Nano-Micro Lett.、ACS Energy Lett.、Nano Energy、ACS Nano、Nano Res.、Chem. Soc. Rev.、Appl. Energy、Adv. Opt. Mater.、Solar RRL、ACS Sens.等学术期刊上发表 SCI 文章 60 余篇，被引3041余次，H 因子为 26，获授权发明专利1项。

Email: [e-mail]

网页：https://publons.com/researcher/1226317/jinbo-pang/

https://orcid.org/0000-0001-6965-4166

http://faculty.ujn.edu.cn/pangjinbo/zh_CN/yjgk/79315/list/index.htm

刘宏教授

济南大学、山东大学

刘宏，济南大学前沿交叉科学研究院院长，山东大学晶体材料国家重点实验室教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。中国硅酸盐学会晶体生长分会理事，中国光学学会材料专业委员会会员理事，中国材料研究学会纳米材料与器件分会理事。主要研究方向：生物传感材料与器件、纳米能源材料、组织工程与干细胞分化、光电功能材料等。十年来，主持了包括十五、十一五、十二五863、十三五国家重点研发项目和自然基金重大项目、自然基金重点项目在内的十余项国家级科研项目，取得了重要进展。2004至今，在包括Adv. Mater., Nano Letters, ACS Nano, J. Am. Chem. Soc, Adv. Fun. Mater, Energy Environ. Sci.等学术期刊上发表SCI文章300余篇，其中，个人文章总被引次数超过23000次，H因子为72，其中30余篇文章被Web of Science的ESI（Essential Science Indicators）选为 “过去十年高被引用论文”（Highly Cited Papers (last 10 years))，文章入选2013年中国百篇最具影响国际学术论文，2015和2019年度进入英国皇家化学会期刊“Top 1% 高被引中国作者”榜单。2018至2021连续四年被科睿唯安评选为“全球高被引科学家”。应邀在化学顶尖期刊Chemical Society Review和材料顶尖期刊Advanced Materials和 Advanced Energy Materials上发表综述性学术论文，在国际上产生重要影响。授权专利30余项，研究成果已经在相关产业得到应用。2019年获得山东省自然科学一等奖。

Email: [e-mail]

网页：https://publons.com/researcher/1598713/hong-liu/

https://iair.ujn.edu.cn/

论文信息

Applications of nanogenerators for biomedical engineering and healthcare systems

Wanli Wang, Jinbo Pang*, Jie Su, Fujiang Li, Qiang Li, Xiaoxiong Wang, Jingang Wang, Bergoi Ibarlucea, Xiaoyan Liu, Yufen Li, Weijia Zhou, Kai Wang*, Qingfang Han, Lei Liu, Ruohan Zang, Mark Rümmeli, Yang Li, Hong Liu*, Han Hu*, Gianaurelio Cuniberti* 

DOI: 10.1002/inf2.12262

Citation: InfoMat 2022, 4, e12262.

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关于InfoMat

《信息材料（英文）》（InfoMat）创刊于2019年，由电子科技大学和Wiley出版集团共同主办，是聚焦信息技术与材料、物理、能源、生物传感以及人工智能等新兴交叉领域前沿研究的国产英文学术期刊，创刊主编为李言荣院士。

● 中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊

● 中科院分区工程技术大类1区Top期刊

● 影响因子：25.405

● 国产OA月刊

● 发表原创性研究论文、综述、前瞻性论文

期刊主页：http://www.wileyonlinelibrary.com/journal/infomat

投稿链接：https://mc.manuscriptcentral.com/infomat

编辑部邮箱：[e-mail]

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