生物相容性纳米发电机的制备与应用

前言

近年来，随着智能手表、智能家居、智能手机、智能汽车等设备的出现，新兴技术极大地改变了我们的生活方式，这些设备的长时间和环保能源供应非常重要，电池提供了一种方便的解决方案，人
们已经做出巨大努力来扩大电池容量并减少对环境的影响。

纳米发电机的发展

风能和河流中的大规模机械能长期以来一直是人类获取电能的重要来源，自从发现 PENG 和 TENG 以来，科学家们从环境中无处不在的微尺度机械能中挖掘出一种新能源，环境保护意识和生物医学应用的需求推动了具有生物相容性的纳米发电机的发展，这些发电机具有改善我们生活质量的潜力。

压电纳米发电机

PENG 可以通过压电效应直接将环境机械能转化为电能，压电效应是指材料在受力时产生极化电荷，PENG利用极化电位驱动电流流过外电路，实现机械-电能转换。

摩擦纳米发电机

报道了第一个基于摩擦电效应和静电感应的能量收集器，该装置后来被称为 TENG，该装置由堆叠在一起的 Kapton 薄膜和聚酯薄膜组成，并在其背面沉积了金属电极，所谓的垂直接触-分离工作模式。

其他纳米发电机

除了 PENG 和 TENG，还发明了具有其他工作机制的装置（热电纳米发电机、电磁发电机、太阳能电池和电化学电池），它们可以将热能、磁能、太阳能和化学能转化为电能。

生物相容性纳米发电机技术的材料和制造方法

为了提高生物相容性纳米发电机的性能，近年来对材料和制造方法进行了广泛的探索，用于生物相容性纳米发电机的功能材料包括聚合物、生物分子和无机材料。

聚合物基纳米发电机

PVDF 基材料

PVDF 和 P(VDF-TrFE) 是研究最多的聚合物，由于其良好的压电性、柔韧性、生物相容性和可加工性，是制造生物相容性纳米发电机的良好候选者。

基于聚二甲基硅氧烷的材料

虽然大多数聚合物不是压电材料并且不适合 PENG，但许多聚合物已成功用于 TENG，由于其透明性、疏水性和优异的电负性，PDMS 已被用于各种生物相容性纳米发电机中。

聚四氟乙烯基材料竞技宝JJB

与聚氨酯、尼龙（聚酰胺）、聚对苯二甲酸乙二醇酯等其他材料相比，聚四氟乙烯具有高耐久性和防水性。

基于生物分子的纳米发电机

纤维素基材料

纤维素基材料由于其灵活性、低成本和简单的制造技术而被用于纳米发电机，由于纤维素的高稳定性，基于纤维素的纳米发电机通常具有高耐久性，工作循环从3万到5万。

基于病毒的材料

病毒是一种特殊的生物体，结构非常简单，只有一条长核酸链和一层蛋白质外壳 最著名的病毒之一是 M13 噬菌体。

酸性氨基材料

氨基酸是一类含有胺基（-NH 2）、羧基（-COOH）和特定类型的侧链（R基）的有机化合物，它们具有良好的水溶性，人体有20种氨基酸等，研究了三种氨基酸 L-苯丙氨酸 (L-Phe)、L-酪氨酸 (L-Tyr) 和 L-DOPA 的自组装，它们具有非常相似的化学结构。

肽基材料

由于其良好的机械性能、压电性和生物相容性，二苯丙氨酸 (FF) 肽在能量收集方面显示出巨大的潜力，并使用有限元建模来指导基于肽的纳米发电机的设计，基于肽的 PENG 还表现出高耐久性，可进行 2,500–5,000 次测试循环。

无机基纳米发电机

氧化锌基材料

ZnO 具有丰富的纳米结构，如 NWs ， 纳米环 , 和纳米螺旋 ZnO纳米结构表现出优异的压电性和生物相容性。

生物相容性纳米发电机的应用

生物相容性纳米发电机是为生物医学或皮肤接触电子设备供电的理想选择，由于其低成本和环境友好性，生物相容性纳米发电机已在许多领域得到广泛应用，我们将讨论有关能量收集、生物传感、健康监测、药物输送和生物相容性纳米发电机辅助的体内植入生物医学应用的代表性工作。

用于体外健康监测和电子皮肤的生物相容性纳米发电机

生物相容性纳米发电机的体外应用要求前体材料无毒且具有生物相容性。

用于体内植入设备的生物相容性纳米发电机

生物相容性对于纳米发电机的体内应用至关重要，生物降解性是某些植入应用中使用的材料的重要特性。

结论

我们回顾了不同种类的生物相容性纳米发电机，例如生物相容性 PENG、生物相容性 TENG 和热释电纳米发电机，压电和非压电天然和合成材料已被用于制造生物相容性纳米发电机。

这些纳米发电机由于其材料丰富、加工方法简单和环境友好，在各种应用中具有重要意义。