陕科大王学川/刘新华 Nano Energy：基于摩擦纳米发电机的智能“组织电池”用于综合软骨治疗

2023-01-10 来源：高分子科技

近日，陕西科技大学生物质与功能材料研究所王学川教授/刘新华副教授团队报道了一种基于摩擦纳米发电机的智能“组织电池”用于软骨修复治疗和修复过程实时监测。利用自发电产生微电流刺激软骨快速修复，并实现软骨修复过程中“黑箱”的实时可视化，达到“诱导组织再生—修复实时监测”一体化的目的。相关研究成果发表于国际能源领域著名期刊Nano Energy上。

图1 组织电池的微观结构和综合功能示意图

目前，软骨缺损治疗如软骨移植、关节内注射治疗、软骨组织工程技术需要较长的修复期，且存在的“黑箱”状态阻碍软骨状态的实时检测。本研究制备的智能“组织电池”由自发电纳米发电机（TENG）和软骨支架两部分组成。组织电池的TENG部分为密封的负/正/负三明治结构。其中具有双面微凸结构正摩擦层（CA-CS-HA）由胶原聚集体、壳聚糖和羟基磷灰石共混并以模板法制备。具有多层微凸结构的负摩擦层（PCL/PDMS/PCL-FA）以氟磷灰石掺杂聚己内酯-聚二甲基硅氧烷-聚己内酯嵌段共聚物并同样通过模板法获得。聚己内酯、聚乳酸-羟基乙酸共聚物和羟基磷灰石共混并以洗去法制备多孔组织支架（PCL-PLGA-HA）。组织支架的孔洞结构与TENG负极的凸起在受到压力时构成的榫卯结构使组织电池能够通过发送电信号反馈材料降解和细胞增殖引起的结构变化从而揭示软骨修复状态。

该软骨“组织电池”兼具自供电、高灵敏度、可植入、抗干扰等特点。基于接触分离机制的TENG在常见关节运动压力范围内（0?1.8 MPa）具有较高的灵敏度（52.5 V MPa^?1），使“组织电池”能够在“黑箱”中原位检测软骨修复的实时状态。此外，体外和体内综合实验表明，“组织电池”将关节运动产生的机械能转化为电能，通过电刺激的手段加速支架内的软骨细胞增殖，从而缩短软骨修复周期。另外，该“组织电池”具有优良的生物相容性和可调控的生物降解性，在软骨修复过程中表现出优异的耐用性和稳定性，且在修复结束后一段时间内可完全降解并被人体代谢。该“诱导组织再生—修复实时监测”一体化“组织电池”可用于医疗康复领域，有利于减轻软骨缺损患者的疼痛和治疗费用，可作为新型的生物电子植入材料。

图2 组织电池的制备和微观结构表征

图3 组织电池电刺激软骨细胞增殖并加速软骨缺损修复

图4 组织电池以电信号形式实时检测软骨修复“黑箱”状态

相关成果以“Smart nanoengineered electronic-scaffolds based on triboelectric nanogenerators as tissue batteries for integrated cartilage therapy”为题发表在Nano Energy上。陕西科技大学博士后岳欧阳为本论文的第一作者，通讯作者为陕西科技大学轻工科学与工程学院王学川教授和刘新华副教授。感谢感谢国家自然科学基金（2207081675、22278257），陕西重点研发计划项目（2022GY-272），陕西省教育厅重点项目（22JY013）和中国博士后基金项目（2021M692000）等对本工作的大力支持！

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.108158

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（责任编辑：xu）

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