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生物相容性摩擦纳米发电机的应用研究

生物相容性摩擦纳米发电机的应用研究

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作者：刘国旭天津理工大学

学位级别：硕士

基于摩擦带电和静电感应原理,将生物体产生的生物质能转换成可再生利用的电能,使可植入电子设备的体内自驱动成为可能。近年来,生物相容性摩擦纳米发电机(BCTENG)通过选取生物相容性极板材料,改变对摩擦层材料表面粗糙度等研究,获得了... 详细信息

基于摩擦带电和静电感应原理,将生物体产生的生物质能转换成可再生利用的电能,使可植入电子设备的体内自驱动成为可能。近年来,生物相容性摩擦纳米发电机(BCTENG)通过选取生物相容性极板材料,改变对摩擦层材料表面粗糙度等研究,获得了良好的输出性能。但是进一步优化BCTENG的材料和结构设计,提高其电输出特性,特别是探索其应用前景仍有许多问题亟待解决。另外本文针对当前的环境问题,创造性的提出以呼吸为动力的摩擦纳米发电机,探索其应用并提出一种简单、廉价的改变高分子对摩擦层表面形貌的方案—热压成膜法。为此,本文在前期工作的基础上深入探索BCTENG的具体应用,以聚左旋乳酸(PLLA)和乙基纤维素(EC)为上下极板的摩擦发电机电刺激小鼠L929细胞;以钛(TNTAs)和聚左旋乳酸(PLLA)为上下极板的摩擦纳米发电机自由调控Mg-3wt%Zn-0.2wt%Zr合金的降解。并针对当前环境安全问题,首次尝试将摩擦电用于静电吸附作用,设计了可植入市售口罩中的以呼吸为动力的摩擦纳米发电机,该发电机可有效改善对粒径小于3μm粉尘的过滤效果。此外,本文还探索了热压法改变对摩擦层高分子材料表面形貌对BCTENG输出电性能的影响。结果表明:1.以聚左旋乳酸(PLLA)和乙基纤维素(EC)为上下极板的摩擦发电机电刺激小鼠L929细胞,此摩擦发电机对L929细胞进行电刺激的效果与20μA直流电相当,均可显著提高细胞的增殖速率和存活率。2.以聚左旋乳酸和钛(TNTAs)为上下极板的摩擦纳米发电机可调节Mg-3wt%Zn-0.2wt%Zr合金在模拟体液(SBF)中的腐蚀降解速率,4Hz压力频率施加的摩擦发电机对抑制镁合金的降解速率调节作用最佳,当压力频率为2Hz时与空白对照组相比,有很弱的抑制作用,当压力频率达到8Hz时,镁合金的腐蚀降解速率反而大大增加。3.以呼吸为动力的摩擦纳米发电机的制作过程简单,输出电压高达18V,电流2.5μA,具有植入口罩提供静电吸附,增强滤除粒径小于2.5μm粉尘的功效。4.采用热压法在聚左旋乳酸(PLLA)、乙基纤维素(EC)成膜的高分子对摩擦极板上制备简单图案,显著影响发电机的输出电性能。与平面摩擦极板相比,用1000目不锈钢网制备的图案高分子极板的输出电压可提高3倍。

关键词：生物相容性摩擦纳米发电机的应用呼吸为动力表面处理

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