王中林院士综述！摩擦电纳米发电机在自供电神经调节方面的进展

以下文章来源于EngineeringForLife ，作者EFL

用于神经系统的植入式生物电子学的进展正在重新发明神经元活动的刺激、抑制和感觉。这些努力不仅意味着对几种神经和精神疾病进行突破性的治疗，还标志着计算机控制的人类治疗的新时代的开始。当前，电池仍然是所有植入式神经调节装置的主要能源，电池体积庞大，而且在电池耗尽时需要进行更换手术。摩擦电纳米发电机(TENG)最近作为一种创新的电力解决方案出现，用于自供电的闭环电神经刺激设备。TENG可以利用身体不同器官的生物力学活动来持续地产生电力，从而刺激神经。

来自的美国康涅狄格大学的Islam M. Mosa和James F. Rusling与来自中科院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士合作综述了TENG的进展，TENG为自我可持续的闭环神经刺激铺平了道路。还讨论了该领域的发展方向、出版趋势以及TENG在植入式生物电子学中的模式。最后，对自我可持续的神经调节剂在达到临床实践方面面临的挑战进行了深刻的展望，并提出了神经系统疾病的解决方案。相关工作以题为“Advances in Triboelectric Nanogenerators for Self-powered Neuromodulation”的综述文章发表在2023年1月10日的《Advanced Functional Materials》。

1.创新型研究内容

摩擦电纳米发电机(TENG)因其高度的灵活性、操作模式的多样性、制造的简单性、低成本和材料的多样性而受到人们的关注。TENG的能量收集机制基于摩擦带电和静电感应两种现象。TENG是由Z.L.Wang和他的研究团队于2012年发明的。自发明以来，TENG的发表数量基于对引文数据库Scopus发表的文献的分析而显著增长(图1)。在设计、材料、能量管理和体内植入方面已经实现了几项创新，从而显著提高了功率输出，使这些设备的边界更接近商业应用。TENG与不断增长的自我供电的大脑和神经刺激和传感领域有关，从Scopus提取的数据中反映了这一点。

TENG具有在不同模式下工作的优势，在TENG植入、集成和可植入生物电子学的定制过程中允许多种选择。虽然并非所有常见的TENG模式都在植入式生物电子学中进行了探索，但本综述在这里总结了四种主要模式，并讨论了它们的作用机制、植入式应用的示例以及将每种模式用于未来植入式TENG的前景（图3）。接触分离模式：可能发生在两个摩擦介电层或介电和金属层之间。这种模式对于神经调节植入物特别有利，因为人体内的空间有限，并且能够在不需要大量拉伸或滑动的情况下获取生物力学能量。在横向滑动模式下，TENG装置的结构类似于上面的垂直触点分离模式。然而，所施加的机械力的方向是不同的。虽然触点分离模式通常需要垂直于摩擦电表面的机械力，但横向滑动模式需要平行于摩擦电表面的机械力，从而导致一个摩擦电层在另一个摩擦电层上滑动。另外，在独立式摩擦电层模式下，一个独立的摩擦电层在连接到外部电路的两个固定摩擦电极上自由移动。如前所述，自由移动的独立层沿横向滑动或垂直接触分离方向移动。这种模式下的功率输出是基于两个固定电极之间的静电感应产生的。最后，在单电极TENG模式中，器件结构比以前的模式更简单。单个电极连接到与地连接的外部电路。在外部自由移动的介质摩擦层（例如皮肤表面、聚合物层或人体器官表面）可以在不连接到外部电路的情况下与单电极接触。

自供电电子皮肤具有成本低、植入时间长等优点，在临床医学、人工智能和感觉器官模拟等领域具有潜在的应用价值。已经有学者开发了一种基于TENG的自供电多感官电子皮肤，用于感官替代，如触觉，听觉，嗅觉，味觉和视觉（图4）。由柔性基板制成的接触分离TENG被用作电刺激和传感单元可以直接将摩擦电信号传输到大脑，以进行多感知和致动的身体运动反馈。该装置在长期变形下具有柔韧性和稳定性。在基于TENG的传感单元中，摩擦因子对掺杂了不同的聚吡咯衍生物，以检测振动、声音、气体、PH和光。此外，当电极植入小鼠大脑时，TENG输出的感觉摩擦电信号可以刺激特定的大脑区域并驱动小鼠活动。另外，基于TENG结构的电子皮肤(e-skin)可刺激小鼠大脑海马组织。TENG由钙钛矿MAPbI3制成，既可作为正摩擦电层，也可作为光敏层。

用于自主神经系统的无电池、自供电的神经调节装置的发展可以产生用于神经和精神健康的理想的非破坏性治疗。有学者展示了一种自供能的迷走神经刺激系统，该系统使用附着于胃外表面的生物相容性TENG(图5)。他们的装置利用被称为蠕动的胃部肌肉的波状收缩来产生双相电信号。这些产生的电信号直接刺激迷走神经传入纤维，以减少食物消耗，并控制大鼠的体重。他们还在金属-电介质设计中使用接触分离模式TENG。这里的金属是具有与迷走神经传入神经接口的金导线的铜电极，而TENG电介质层是PTFE。TENG封装在3层不同的聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷(PDMS)和Ecoflex凝胶中。胃的收缩运动产生振幅小于0.1 V的微弱电压信号。尽管所产生的电压信号较弱，但与未植入TENG装置的对照组相比，在大鼠体内植入TENG装置100天后，迷走神经刺激组的体重减轻了38%。这项工作是证明TENG体内植入生物体数月之后结果的首次报道，为将来开发用于治疗目的的完全自供电的植入式生物电子学铺平了道路 。

对神经进行电刺激或直接对肌肉的运动神经元进行电刺激是一种治疗神经系统疾病有效的方法，可以帮助患者康复以及获得失去或受到影响的关键运动。治疗性电刺激结合神经套植入已被证明对于神经假体应用是有效和可行的。有学者设计了一种具有通用电极设计的可穿戴堆叠式TENG，可用于选择性电刺激和记录坐骨神经(图6)。TENG结合电极刺激坐骨神经和腓总神经，并用于控制胫骨前肌的活动。堆叠式TENG的开路电压为160 V，短路电流为6.7 A。选择性刺激的结果表明：坐骨神经和腓总神经刺激激活的腓肠肌和胫前肌的刺激强度不同。此外，他们的另一项发现还表明，基于TENG的无电池神经接口可以直接和选择性地刺激大鼠坐骨神经，以调节不同的肌肉运动。

最近，学界提出了一种自持续间歇性神经刺激方法，以缩小身体器官生物力学运动产生的相对低能量与植入式神经刺激器的高能量需求之间的差距(图7)。虽然TENG装置作为植入式能量采集器具有许多优点，但它们仍然受到一些限制，主要归因于TENG产生交变功率(非连续)。此外，由于TENG对身体器官的机械冲击较弱，TENG产生的功率输出相对较低。另一方面，植入式神经刺激器会产生高频电脉冲，这使得它们成为耗能设备之一。TENGs产生的能量和神经刺激器的能量需求之间的差距是该领域的主要挑战。有学者最近报道了一种自我维持的神经刺激系统，该系统以克服能量差距限制的方式使用TENG。他们开发了一种自持式间歇性深部脑刺激器。这种智能深度大脑刺激器系统有三个主要组件，一个是生物摩擦电纳米发电机(Bio-TENG ),用于收集呼吸运动的机械能；一个是生物超级电容器，作为能量存储；一个是脉冲发生器，用于向大脑产生具有所需频率和脉冲宽度的高度调节的脉冲。这种新的间歇性深度大脑刺激器利用多层Bio-TENG来采集猪呼吸肺的机械运动，以给生物超级电容器充电并刺激大脑。他们还在遗传修饰的小鼠大脑的海马组织中体外证明了电脑刺激，并且用荧光进行了观察。这种新设计的深度脑刺激器的间歇性来自于这样一个事实，即该设备交替刺激期和充电期，使得该设备的性能可以自我维持。这项工作为发现中枢和外周神经系统的自供电和间歇性神经刺激开辟了新的途径，其中短期或间歇性刺激足以获得治疗反应。

2.总结与展望

在过去的几年里，TENG正快速走向技术成熟。特别是，一些基于TENG的系统已经在个人防护设备、空气过滤系统和智能建筑领域实现了商业化。然而，基于TENG的植入式医疗设备仍处于研究阶段，由于一些挑战，尚未进入临床实践阶段，这可能是智能神经调节生物电子学领域未来的绝佳研究机会(图8)。

文章来源：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202211177

转自：“i学术i科研”微信公众号

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