研究背景
随着医疗技术的进步，植入式电子设备在临床医学中的应用正逐渐显露出超越传统药物治疗的显著优势。然而，这些设备大多依赖于寿命有限的电池，频繁的手术更换需求不仅给患者带来额外风险，也对设备的尺寸和设计提出了挑战。因此，市场对于能够内嵌可持续能源供应系统的新一代无电池植入式设备的需求日益增长。摩擦电纳米发电机（TENG）因其能够收集体内机械能而受到关注，其中超声波驱动的摩擦纳米发电机（US-TENG）可以从摩擦电膜的微小振动中收集电能，为无电池植入物系统提供动力。目前现有的研究已在部分功能实现上取得了进展，但在实现基于超声的高效率能量-信息同传方面，仍面临着技术瓶颈。
文章概述
为了解决传统体内植入式设备仍需电池供电的问题，南京理工大学团队与韩国成均馆大学、延世大学团队合作提出了一种基于金属-聚合物混合层摩擦纳米发电机的声学可调无电池植入系统，为经皮电力与信息传输提供了一种创新的解决方案，有可能实现无电池的永久植入式电子设备。这项研究展示了基于双电极US-TENG 的可同时传输声能和声学信息的设计，从而实现了通过超声波控制的无电池、智能可调节的植入系统。从能量传输的角度，所设计US-TENG采用了一种新型摩擦电薄膜，其顶部电极结合了金属-聚合物混合层，通过混合层中形成的可逆微裂纹确保了其在高频应变下的可靠电连接。从信息传输角度，设计了适用于US-TENG体系的超低功耗能量-信息同传管理电路，在不影响能量传输效率的前提下实现了高效通信。体内实验证实，该系统具有生物相容性，可在活体大鼠体内可靠运行。这些成就代表着朝着实现可通过超声波可靠供电和控制的多功能植入式电子设备迈出了重要一步。
该研究以“Acoustic Tunable Battery‐Free Implants Based on Sustainable Triboelectric Nanogenerators With Metal‐Polymer Intermixing Layers”为题发表在《Advanced Energy Materials》期刊上，韩国成均馆大学Youngwook Chung、南京理工大学机械工程学院博士后原红伟和硕士研究生王泽为共同第一作者，南京理工大学机械工程学院戴可人研究员、韩国成均馆大学Young-Jun Kim博士和韩国延世大学Sang-Woo Kim教授为共同通讯作者。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/aenm.202403712
图文导读
图 1 DUS-TENG的设计和应用. (a)使用DUS-TENG的同时无线电力和信息传输系统的示意图. (b)DUS-TENG 与调制电路结合的设计图. (c)DUS-TENG 的工作机制. (d)单电极和双电极TENG之间的输出差异. (e)使用单电极和双电极TENG的储能电容器的充电曲线
图 2 单电极和双电极US-TENG的电气系统分析. (a-c)形成返回门的单电极US-TENG (a)未形成返回门的单电极US-TENG(b)和双电极US-TENG (c)的电位示意图和FEM模拟结果. (d)基于隔离程度的单电极和双电极模式之间的输出差异
图 3 混合电极的材料分析. (a)集成膜的横截面FE-SEM 图像，其中C、F和Au原子的EDS组分映射. (b)SEBS和基于PDMS的电极之间的粘附强度比较.(c)经过和未经表面处理的SEBS和PFA粘附性的比较. (d)放大的横截面FE-SEM图像，表示SEBS层之间的混合Au. (e)HIU辐照前后SEBS上Au纳米粒子的XPS深度剖面分析. (f)放大的横截面FE-SEM图像，表示PFA和SEBS层之间的分层Au. (g)HIU辐照前后PFA上Au纳米粒子的XPS深度剖面分析. (h)具有混合和分层结构的US-TENG的简化电气建模. (i)具有混合和分层结构的US-TENG的阻抗分析. (j)混合结构和分层结构中HIU之前和之后的电容变化
图 4 DUS-TENG的耐久性和生物相容性. (a)DUS-TENG的长期运行. (b)MTT测定结果（每组n=18）. (c)DUS-TENG的彗星试验获得的荧光图像. (d)彗星试验结果的OTM图(每组n=30). (e)植入3周期间植入部位的H&E染色真皮下组织图像
图 5 使用DUS-TENG同时进行无线信息和电力传输. (a)同时进行无线信息和电力传输系统的框图. (b)系统的体内测试设置. (c)说明控制脉冲信号幅度、频率和宽度的系统操作的图表. (d)神经刺激电路响应神经刺激设置的调整而产生信号. (e)系统的体内操作
总结
综上所述，这项工作为DUS-TENG的可持续供电引入了一种新颖的设计策略，从而实现了无电池的超声波供电和控制植入系统。FEA仿真和实验结果表明，双电极模式对于实现无回流门效应的大电流输出至关重要。为了确保高而稳定的发电，我们设计了摩擦电膜，其顶部电极以金纳米粒子混合在自粘附SEBS层中。使用SEM-EDS和XPS技术进行的材料分析证实，电极在超声波下的稳定性归因于其混合特性。整个装置封装在SEBS中，确保了生物安全性，使用人类成纤维细胞进行的体内和体外实验证明了这一点，这对于长期植入至关重要。DUS-TENG产生的持续体内输出足以为调制电路供电并传输各种声学信号，通过声学信号产生具有可调参数（包括频率、幅度和宽度）的刺激脉冲。由此，DUS-TENG可实现多功能（例如神经刺激、传感、起搏和信号通信）植入系统，且仅通过超声波源即可供电和调制。随着持续的开发和优化，预计这项工作将能够跟上下一代无电池植入式电子设备的进步
编辑：旺旺杰 审核：木小何
