图文简介
亮点
- 我们研究了一种 ϰC-Agar 复合材料，作为一种可生物降解的、高度摩擦阳性的材料，用于生物力学能量收集。
- 通过丰富的电荷俘获位点验证了复合材料的高给电子性能
- 通过MTT测定和组织学研究验证了复合材料的高生物相容性
- 尽管气隙非常薄，但完全可生物降解的 TENG 可产生 0.45 mA·m -2 /0.15 mW·m -2的高输出 RMS 电流/功率。
在过去的几年中，已经研究了可生物降解的摩擦纳米发电机(TENG) 来为生物瞬态电子设备供电。为了稳定供电，开发具有高摩擦正性和高生物相容性的可生物降解材料至关重要。在这里，我们研究了一种天然衍生的 ϰ-角叉菜胶-琼脂 (ϰC-Agar) 复合材料，作为可生物降解 TENG 的高性能摩擦电摩擦材料。我们发现该复合材料显示出显着增强的给电子性能。在 80 wt% 的优化 ϰC 浓度下，与裸材料相比，表面电势最多增加 57.5%。我们验证了这种增强是由增加的由 Ca 2+组成的电荷俘获位点引起的。复合物中的阳离子和硫酸酯基团。此外，我们发现 ϰC-Agar 复合材料具有很高的内在生物相容性，因为它在 MTT 测定中显示出高细胞活力，并且由于复合材料的高亲水性，皮下植入物几乎不会引起明显的炎症。我们使用优化的 ϰC-Agar 复合材料进一步展示了完全可生物降解的 TENG。我们的器件非常薄 (0.3 mm) 且非常灵活，在优化阻抗下可产生 0.45 mA·m -2的高输出均方根 (RMS) 电流和 0.15 mW·m -2的输出 RMS 功率。我们的工作为开发用于自供电瞬态电子设备的高性能可生物降解 TENG 提供了基础。
天然来源、高性能、可生物降解的 ϰC-Agar 复合材料。(a) ϰC 和琼脂的均匀固溶体形成聚合的 3D 网络。(b) 通过电荷俘获位点增强 ϰC-Agar 复合材料的摩擦电荷转移的示意图。(c) KPFM 测量的复合材料的表面电位与 ϰC 浓度的函数关系（KPFM 数据在背景中）。(d) 不同 ϰC 浓度的复合材料的一系列照片。(e)在稀释的 PBS 溶液中具有 80 wt% ϰC 浓度的降解 ϰC-Agar 复合材料的光学显微镜图像（比例尺 = 50 µm）。(f)百分位数在不同的 ϰC 浓度下 ϰC-Agar 复合材料在稀释的 PBS 溶液中的质量损失。
通过丰富的电荷俘获位点验证 ϰC-Agar 复合材料的高给电子特性。(a) FT-IR，(b) XRD，(c) 不同 ϰC 浓度（从下到上从 0 wt% ϰC 到 100 wt% ϰC）下 ϰC-Agar 复合材料的 XPS 光谱。(d) XPS 光谱中的峰间输出电压 (V pp ) 和 Ca2p 峰强度作为 ϰC 浓度的函数。(e)纯材料（纯 ϰC 和纯 Agar 记为 ϰC）和 ϰC-Agar 复合材料与摩擦带电负极材料（记为接触材料）接触时的能带图。
ϰC-琼脂复合材料的生物相容性。(a) 染色的人成纤维细胞 (CRL-1502) 在正常培养皿和 80 wt% ϰC 浓度的 ϰC-Agar 复合物上培养的免疫荧光图像（表示为对照和 ϰC-Agar，比例尺 = 200 µm）。(b)正常培养皿和 ϰC-Agar 复合物 96 小时的归一化细胞活力（数据来自一式三份测试，显示平均值，误差线表示 SEM）。(c) 植入部分皮下组织的苏木精-伊红 (H&E) 染色。(d) 复合材料的接触角作为 ϰC 浓度的函数，显示出它们的高亲水性。
基于 ϰC-Agar 复合材料的可生物降解TENG 。(a) 结构示意图，(b) 工作原理，(c) 基于 ϰC-Agar 复合材料的可生物降解 TENG 的照片（比例尺 = 1 cm）。(d) TENG 的输出RMS电流 (I RMS ) 和输出 RMS 功率 (P RMS ) 作为外部负载电阻的函数。(e)可生物降解的 TENG (80 wt% ϰC) 浸入稀释的 PBS 溶液 (比例尺 = 10 µm) 后的输出电压和 (f)光学显微镜图像。
可生物降解TENG的输出特性。(a) TENG 在 30 000 次接触分离循环期间的耐久性测试。(b) 在高推力下增加 TENG 的输出电流。(c) 由 TENG 的整流输出供电的 1μF、10μF 电容器的充电曲线。
结论
我们研究了 ϰC-Agar 复合材料作为一种完全可生物降解的高性能摩擦电材料用于有效的体内生物力学能量收集的潜在用途。我们发现 ϰC-Agar 复合材料具有高给电子特性和高表面电荷，因为它在 80 wt% 的最佳 ϰC 浓度下表现出增强的表面电位和高输出电压。通过一系列电学表征和材料分析，我们验证了通过离子交联实现的大量 Ca 2+阳离子的存在主要有助于摩擦电荷转移的极大增强。通过离体测试确认了复合材料的高生物相容性和生物降解特性，我们使用 ϰC-Agar 复合材料制造了可生物降解的TENG 。我们的器件显示出 2 至 9 小时的疏水性相关寿命，在 1 兆欧阻抗下产生0.45 mA·m -2的 I RMS和在9.5 兆欧的最佳电阻抗下产生 0.15 mW·m -2的P RMS ，分别。此外，我们成功地为电容器和商用LED供电使用腾。这项研究为开发用于体内生物力学能量收集和为瞬态电子设备供电的高性能可生物降解摩擦电材料提供了一种新颖有效的方法。
论文信息
论文题目：Designing supercapacitor electrolyte via ion counting
通讯作者：Byung-Ok Choi , Sang-Woo Kim
通讯单位：成均馆大学
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