東華大學張耀鵬《Nano Energy》：納米絲帶構築脈搏驅動的生物納米摩擦發電機

世界上現有最薄最強材料是啥？當然是石墨烯了！堪稱“材料之王”的它單層厚度僅0.34納米。2018年東華大學纖維材料改性國家重點實驗室張耀鵬教授團隊採用氫氧化鈉/尿素體系從蠶絲中剝離出一款

圖1 脈搏可驅動的納米絲帶基生物納米摩擦發電機

蠶絲具有優異的力學性能、較好的生物相容性，較低的炎症反應和可控的降解速率。蠶絲諸多的優異性能與絲素的多級結構相關，尤其在納米尺度，天然絲的原纖結構對其性能有著重要的影響。與再生絲素蛋白相比，採用“自上而下”法直接剝離蠶絲得到的絲素納米纖維保留了天然絲的微觀結構，賦予絲素納米纖維基材料優異的力學性能。

摩擦納米發電機（TENG）將機械能轉化為電能，在實時監測人體微小運動的同時，收集能量實現自供能。對於可植入的生物電子器件，生物相容性、可降解性和可控的降解速率已是TENG不可或缺的性能。絲素為絕緣體，且易於產生靜電，是製備TENG的天然生物材料。TENG的輸出性能受到摩擦層得失電子能力的影響。靜電紡再生絲素纖維氈或再生絲素蛋白膜與合成聚合物搭配，已用於製備TENG。但這類TENG導電層多為ITO或者鋁箔，在體內無法降解，且生物相容性較差，易引發炎症。再生絲素蛋白膜、米紙也可用於製備TENG，但輸出性能和穩定性有待提高。

本工作中製備的納米絲帶僅為單分子層厚度，主要由天然蠶絲中原生的β-摺疊片層、無規線團以及α-螺旋構象構成。研究者通過原子力顯微鏡（AFM）、透射電子顯微鏡（TEM）、同步輻射X射線衍射等表徵技術確認了上述信息（圖2）。

圖2 納米絲帶的（a）TEM圖、（b）AFM圖；（c）寬度分佈圖和（d）厚度圖

圖3納米絲帶膜的高透明性和高生物相容性

分別採用納米絲帶懸浮液和絲素蛋白水溶液為原料，製備了納米絲帶膜（SNRF）和再生絲素蛋白膜（RSFF）。通過在SNRF和RSFF上培養雪旺細胞，驗證了其優異的生物相容性（圖3）。利用SNRF和RSFF作為摩擦層，鎂作為導電層，經過一定後處理的再生絲素蛋白膜（RSFF-p）作為包裹層，製備了生物可降解全絲素TENG（如圖4）。通過改變包裹層的後處理方式，可以調節TENG的降解速率。由於兩種絲素膜的結構差異，具有不同的功函數，使得在外力作用下兩種膜接觸後，SNRF帶有正電，RSFF帶負電，從而產生電信號。納米絲帶膜具有柔性和強度，賦予了器件靈敏性、穩定性和耐久性。如圖5，在外接電阻為100 MΩ時，TENG的最高輸出電壓為41.64 V。與其它可植入體內的可完全降解TENG相比，這種TENG具有優異的輸出性能，最高輸出功率可以達到86.7 mW/m

圖4 （a）納米絲帶膜和（b）再生絲素蛋白膜的光學圖片；（c）TENG示意圖；（d）納米絲帶膜和（e）再生絲素蛋白膜摩擦面的AFM三維圖

圖5 （a）外接電阻為100 MΩ時，TENG的輸出電壓；（b）外力對輸出電壓的影響；（c）不同外接下，TENG的輸出性能；（d）TENG的穩定性和耐久性；（e）與文獻中的TENG輸出性能對比；（f）實時監測脈搏跳動

此工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、上海市科學技術委員會國際聯合基金、上海一帶一路先進纖維和低維材料國際聯合實驗室、中央高校基礎科研業務費以及東華大學研究生創新基金等項目的資助。部分工作完成於上海同步輻射光源BL15U線站。博士生黃利、呂莎莎和邵惠麗教授為共同作者。

原文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104837

來源：東華生物質材料成型與加工課題組

---納米纖維素找北方世紀---

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