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摩擦纳米发电机，可控给药不费力
摩擦纳米发电机（TENG）是佐治亚理工学院王中林教授的代表工作之一。近年来，随着相关研究的不断深入以及应用中的障碍被逐步解决，摩擦纳米发电机展现出巨大的应用潜力。可植入给药系统（iDDS）一直是生物医学研究领域重要的研究方向之一。糖尿病、眼病以及一些癌症的治疗过程往往需要定时定量连续或多次给药，而实现上述给药系统的一个关键问题就是外部能量的供应。例如，微型锂离子电池可以提供能量，但电池容量有限，需要定期更换；另一种思路则是通过无线能量传输装置实现能量供给，但复杂的外部装置限制了其应用前景。因此，借助人体自身运动产生的机械能来发电具有相当吸引人的应用前景。
最近，王中林教授团队与新加坡南洋理工大学Ken-Tye Yong教授、中科院北京纳米能源与系统研究所朱光研究员等人合作，创造性地将摩擦纳米发电与可控给药联系起来，设计了世界上首个基于摩擦纳米发电机的自供能可植入给药系统。相关成果发表在近期的Advanced Materials上。
（从左至右）朱光研究员、Ken-Tye Yong教授、王中林教授。图片来源：南洋理工大学、中科院纳米能源所
该装置主要由两个部分组成，一是摩擦纳米发电机，它是由两层具有辐射状铜片分别作为转动子与固定子，中间一层聚四氟乙烯的薄片组装而成。在转动过程中纳米发电机中会形成交流电流，再通过整流器可以将其转化为直流电流。二是电化学驱动的给药系统。该系统也由三个部分组成，金电极以及聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的储药腔和输药管。
自供能给药系统示意图。图片来源：Adv. Mater.
当摩擦纳米发电机产生的电流流经电极，会发生水的电解反应，在阴极和阳极分别生产氢气和氧气，腔体内压力增加，药物被挤出输药管。
纳米发电机与给药系统的工作原理。图片来源：Adv. Mater.
值得一提的是，为了降低电极阻抗，研究者们设计了指状交错的电极结构。给药速度随着转动速度增加而逐渐增加，例如，当转速为300 RPM时，输出电压达到5 V，药物输送流速约为5.3 µL/min；转速达到600 RPM时，输送流速则可以达到40 µL/min。
指状电极设计及药物输送过程。图片来源：Adv. Mater.
最后，他们将该装置应用于猪眼球之中，实验结果证明这一基于摩擦纳米发电机的自供能可植入给药系统可以实现药物的可控输送。
猪眼球中的给药实验系统示意图。图片来源：Adv. Mater.
摩擦纳米发电机与其他类型的可植入微型医用设备的结合将成为未来的发展趋势，而如何巧妙的利用电能来设计可植入设备是一个值得思考的课题。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
A Self-Powered Implantable Drug-Delivery System Using Biokinetic Energy
Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201605668
（本文由YHC供稿）