基于苯丙氨酸二肽的可降解压电纳米发电机

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压电纳米发电机(PENGs)能将机械能转换成电能,从环境和人体活动中采集机械能可以满足基于低功耗电子设备的能源需求。然而,当前大多数的PENGs是基于不可降解和非生物相容的材料,不满足下一代微电子设备可生物降解、可生物兼容、环保等的发展需求。本文利用苯丙氨酸二肽(FF)生长垂直、单向极化的大规模阵列,并制备完全可降解的压电纳米发电机,然后对制备的器件进行了开路电压,短路电流,功率和稳定性测试,最后测试了压电纳米发电机在不同条件下的降解特性以及生物相容性。主要的研究内容和成果如下:(1)大规模垂直排列的FF微米柱阵列的生长及可降解PENG的制备。用外延生长法制备了大规模垂直排列的FF微米柱阵列,直径在~10-20μm,高度约为25μm;XRD分析表明FF微米柱阵列具有良好的晶体结构;通过原子力显微镜(PFM)测得其有效压电常数d33大约12.4 pm V-1,验证了所获得的FF阵列的良好压电性。之后采用旋涂-剥离法将FF阵列嵌入聚乳酸(PLA)基质中并从硅基底上剥离下来。通过SEM观察可以看出FF微米柱阵列均匀、整齐地嵌入PLA薄膜中,与PLA基质紧密地结合,并且转移过程未对FF微米柱阵列的形貌结构造成破坏。该方法简单有效地去除了刚性、不可降解的硅基底对器件的影响,并大幅度地减小了器件的尺寸。制备得到的PENG产生了1.78 V的开路电压,65 n A的短路电流,功率密度达到1.56 W m-3,并且在3000 s内的周期性施力过程中输出电压没有发生衰减,具有长时间工作的稳定性。(2)大规模垂直排列的FF纳米纤维阵列的生长及可降解PENG的制备。用PVD法在PLA基底上生长得到大规模垂直排列的FF纳米纤维阵列,纳米纤维的直径约为60-120 nm,高度约为14μm。该阵列相较用外延生长法得到的FF微米柱阵列具有更好的直立性和致密度;XRD分析表明FF纳米纤维阵列有良好的结晶性;通过PFM测得其有效压电常数大约为4.4 pm V-1;基于FF纳米纤维阵列制备得到的PENG产生了2.56 V的开路电压,95 n A的短路电流,功率密度达到10.14 W m-3,这一数值是FF微米柱阵列PENG的功率密度的6.5倍。并且在3000 s内的周期性施力过程中PENG的输出电压没有发生衰减,具有长时间工作的稳定性。PVD法为制备基于苯丙氨酸二肽的可降解压电纳米发电机提供了一种更简单、更高效和可大规模复制的方法,并且能产生更高的压电输出。(3)可降解PENG的降解特性以及生物相容性的测试。将PENG分别置于60℃的磷酸盐缓冲溶液(PBS)、0.6 M Na OH和0.6 M HCl溶液中,测试其降解性。发现在不同p H值的溶液中,降解速率为:碱性溶液>酸性溶液>PBS溶液。并且经过25d后0.6 M Na OH溶液中的装置完全降解。这证实了本实验所制备的PENG可以在碱性、酸性和中性溶液中被降解。用Hela细胞与PENG一起培养,观察细胞在一周内的增殖情况,同时用MTT实验检测PENG的生物相容性,结果表明PENG不会抑制细胞的增殖并且对细胞没有毒性,证明所制备的PENG具有良好的生物相容性。
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