基于柔性压电纳米发电机的自供电迷走神经调节系统的构建

　　武汉大学人民医院余锂镭&武汉大学国世上Nano Energy：基于柔性压电纳米发电机的自供电迷走神经调节系统的构建
　　DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106319
　　迷走神经刺激（VNS）是一种很有前途的基于设备的神经调节疗法，有望取代部分传统药物，可用于治疗各种神经精神、炎症免疫和心血管疾病。因此对VNS装置进行改造，增强其功能特性，提高其操作安全性，对于扩大临床应用具有重要意义。本研究设计了一种基于压电纳米发电机（PENG）的自供电VNS设备，该设备无需电池，能够成功地从颈动脉搏动中获取生物力学能量以刺激迷走神经。其中，以聚（偏氟乙烯-三氟乙烯）[P（VDF-TrFE）]/BaTiO3（BTO）为原材料，通过静电纺丝和层层组装制备了柔性PENGs。由于发电单元的增加和应力分布的改善，多单元PENG显示出优异的输出性能。最大瞬时功率密度优于大多数使用相同原材料制备的器件。COMSOL仿真结果证明了多单元PENG内部应力分布的显著改善。当自供电VNS设备对迷走神经释放电刺激时，四只犬的心率明显下降。这项工作不仅拓宽了柔性PENG在能量收集方面的应用，而且提出了基于PENG的自供电迷走神经调节系统的新概念。
　　图1.（a）多单元PENG的制备过程示意图。（b）沉积在PI薄膜上的叉指电极的显微照片。（c）用镊子使含叉指电极的PI薄膜弯曲的照片。（d）5#PENG装置的尺寸（有效面积11.4×15.6mm2）。插图表明PENG具有显著的柔性。
　　图2.含不同质量分数BTO的纳米纤维薄膜的（a）X射线衍射图和（b）FTIR光谱。（c-h）含不同质量分数BTO的纳米纤维膜的SEM图像。（i）BTO质量分数为50％的纳米纤维薄膜的TEM图像，以及Ba、Ti、F和O元素相应的EDX映射图像（k-n）。
　　图3.含0-50％BTO的单元装置的（a）VOC和（b）ISC。含不同数量单元装置的多单元PENG的（c）VOC和（d）ISC。（e）（c）和（d）中VOC和ISC随单元装置增加的变化趋势。通过手指敲击使正向连接和反向连接的5#PENG产生的（f）VOC和（g）ISC。
　　图4.（a-e）单元装置、2#、3#、4#和5#PENG内部应力分布的COMSOL仿真结果。（f）（a-e）和图S10中沿中性轴的应力分布曲线。蓝色矩形区域对应于器件的电极部分。
　　图5.在不同频率下运行5#PENG的（a）VOC和（b）ISC。（c）外部负载电阻上的ISC和瞬时输出功率密度的变化。（d）进行耐久性试验以证明PENG装置的机械稳定性。
　　图6.（a）PENG在五种不同外部刺激下的输出电压。（b）在拍手动作下，由PENG充电的5μF电容的测量电压。插图显示了电路图和整流直流输出电压信号。（c）在PENG封装层和常规细胞培养皿上培养的染色3T3-L1细胞的荧光图像。（d）培养4天后3T3-L1细胞的归一化活性。（d）中的所有数据均表示为平均值±标准偏差。
　　图7.（a）基于PENG的自供电VNS装置的体内示意图。（b）动物实验中基于PENG的自供电VNS装置。（c）实验期间犬模型的电容器电压、心率和收缩压（SBP）的变化。（d）在相同实验条件下其他三种犬模型的心率和收缩压的变化。
　　文章来源：北京永康乐业公司 http://www.biofabrication.cn/
　　文章链接：http://www.biofabrication.cn/peixunzhinan1_tal/1338.html