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可用于能量采集和健康监测的生物相容性电纺纤维基摩擦纳米发电机

学术动态    2022-07-04 16:36

DOI: 10.1016/j.nanoen.2022.107455

 

摩擦纳米发电机(TENGs)因其多用途和能量收集能力而备受关注。此外,如果纳米发电机制造中使用的摩擦电材料无毒、可生物降解且具有生物相容性,则有助于TENG的生物医学应用。在此,通过静电纺丝技术制备了生物相容性摩擦电纤维膜。将制备的纤维摩擦膜用于制备摩擦电能量收集器和传感器(TEHS)。对静电纺丝正负摩擦电薄膜和基材进行的生物相容性研究表明,这些薄膜无毒且具有生物相容性。系统研究并优化了电输出性能对各种生物摩擦电材料的影响。TEHS重量轻、易弯曲、可扩展且坚固耐用,制造加工成本低,可在各种操作条件下使用。该设备的响应时间较短,为1.7ms,在健康监测方面创造了竞争优势。本工作制造了多个TEHS设备以与健康监护系统集成。最后,将该TEHS用于收集各种机械能并为便携式电子设备供电。此外,TEHS可以连接至各种健康监测位置,以监测患者的身体运动。

 

图1.摩擦膜的合成示意图。(a)PVA和PCL的化学结构以及前体溶液的制备。(b)将前体溶液静电纺丝到基材上。(c)电纺纤维的FE-SEM图像。(d)+ve和-ve摩擦膜的元素映射图像。(e)TEHS的组件与制备。(f)制备的TEHS的照片。

 

图2.材料表征和生物相容性研究。(a)电纺正性摩擦膜的FE-SEM图像。(b)+ve摩擦膜的XRD图谱。(c)制备的+ve摩擦膜的FTIR分析。(d)电纺摩擦膜的FE-SEM图像。(e)电纺摩擦膜的XRD图谱和(f)FTIR光谱。(g-i)TEHS制备中使用的不同组分的生物相容性研究,分别持续6和24小时。红色标记区域为无细胞区。(j,k)+ve和-ve摩擦膜的体外生物降解性研究。

 

图3.(a)TEHS的工作机制以及(b)TEHS的COMSOL模拟。(c-e)使用各种生物正性摩擦膜时TEHS的电输出性能。

 

图4.(a)当恒定频率为5Hz时,TEHS在不同推力下的电压、(b)电流和(c)电荷。(d)当恒定推力约为4N时,TEHS在不同频率下的电压、(e)电流和(f)电荷。(g)TEHS超过9000次循环的稳定性测试,在3N的恒定推力下测量。

 

图5.(a)使用简单手指触摸操作时TEHS的输出电压。(b)TEHS的响应时间。(c)TEHS的功率密度。(d)TEHS的显微图像。(e,f)多个TEHS设备及其电气性能。(g)当手指以不同压力触摸时TEHS的电响应。(h)整流电压以及(i)存储在4.7µF电容器中的能量,为便携式计时器供电。

 

图6.健康监护。(a)压力传感器的电路图和照片。(b)连接到显示器的不同TEHS设备的电路图。多个TEHS集成到残疾人轮椅(c和d)、护理床(e和f)和人体(g和h)及其电响应,以感知和监测人体运动。

 

图7.(a)用于实时传感的多个TEHS的示意图。(b)多个TEHS与微控制器相连的电路图。(c)微控制器的二进制编码以检测来自TEHS的信号并通过无线模块传输。(d,e)施加在多个TEHS上的力及其相应电信号。