機(jī)械系程嘉合作發(fā)文報(bào)道摩擦納米發(fā)電機(jī)用于電輔助細(xì)胞打印

清華新聞網(wǎng)11月15日電 11月9日，清華大學(xué)機(jī)械系程嘉副研究員與姚睿副教授、路益嘉博士合作，在《納米能源》（Nano Energy）上在線(xiàn)正式發(fā)表題為“摩擦納米發(fā)電機(jī)用于電輔助細(xì)胞打印” (Triboelectric nanogenerators for electro-assisted cell printing)的學(xué)術(shù)文章。

摩擦納米發(fā)電機(jī)（Triboelectric nanogenerator, TENG）是一種基于摩擦起電和靜電感應(yīng)原理，可將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、柔性的優(yōu)點(diǎn)。其高電壓、低電流的特性，在高電壓條件下為容性負(fù)載供能時(shí)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。模塊化組織工程是一種構(gòu)建并利用模塊化單元自下而上設(shè)計(jì)生物組織的技術(shù)，可用于細(xì)胞移植、人造器官等。載細(xì)胞水凝膠微球具有良好的互聯(lián)性、機(jī)械性能和三維微環(huán)境，是最常用的研究對(duì)象。電輔助分離技術(shù)能夠生產(chǎn)單分散、生物活性高、尺寸和形態(tài)可控的微球，以往的研究一般依靠商業(yè)電源產(chǎn)生直流或脈沖高壓輸出，系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜昂貴，而TENG作為一種新型的高壓電源可以使細(xì)胞打印技術(shù)更為簡(jiǎn)單、高效。

摩擦電輔助細(xì)胞打?。海╝）裝置效果圖（b）HepaRG、Hela細(xì)胞存活性熒光染色（c）細(xì)胞存活率對(duì)比

本論文提出了一種利用摩擦納米發(fā)電機(jī)供能的電輔助細(xì)胞打印系統(tǒng)，由獨(dú)立摩擦層碟式摩擦納米發(fā)電機(jī)，倍壓整流電路和基本的細(xì)胞打印裝置構(gòu)成。摩擦納米發(fā)電機(jī)和倍壓整流電路產(chǎn)生高壓靜電場(chǎng)（5-8 kV），細(xì)胞打印裝置產(chǎn)生直徑（~300 μm）可控、形狀規(guī)則、適合三維細(xì)胞培養(yǎng)的微球。在HepaRG和Hela細(xì)胞的載細(xì)胞微球打印實(shí)驗(yàn)中，均具有高于92％的細(xì)胞存活率，同時(shí)，利用TENG打印的微球所帶電量（34.40±4.48 pC）相對(duì)于商業(yè)電源（42.40±19.66 pC）更低更穩(wěn)定，更適用于電敏感性細(xì)胞打印。此外，本文進(jìn)行了電學(xué)分析和多物理場(chǎng)耦合仿真，以揭示摩擦電驅(qū)動(dòng)下的細(xì)胞打印機(jī)理；通過(guò)參數(shù)實(shí)驗(yàn)確定了合適的細(xì)胞打印參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明摩擦納米發(fā)電機(jī)可以安全有效地用于電輔助細(xì)胞打印及后續(xù)生物應(yīng)用，是現(xiàn)有技術(shù)的有益補(bǔ)充，在無(wú)法使用傳統(tǒng)電源的場(chǎng)景下具有技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

摩擦電輔助細(xì)胞打印系統(tǒng)特性參數(shù)：（a）電路原理（b）摩擦納米發(fā)電機(jī)工作原理（c）升壓電路（d）微液滴電荷測(cè)量示意圖（e,f）打印過(guò)程電流與電量波形（g,h）電勢(shì)分布仿真結(jié)果（i）高速攝像機(jī)拍攝液滴下落過(guò)程（j）液滴下落位移與速度

清華大學(xué)機(jī)械系程嘉、姚睿、路益嘉為本文共同通訊作者。清華大學(xué)機(jī)械系研究生霍恒寧、劉帆為本文共同第一作者（已畢業(yè)）。其他作者包括羅依雪、顧謙、劉源、王昭政、陳若瑜、季林紅教授。本工作得到國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和清華自主研究項(xiàng)目的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104150

供稿：機(jī)械系

編輯：李晨暉

審核：周襄楠