北京納米能源所張弛團隊Adv. Funct. Mater.：摩擦電納米發電機驅動的柔性藥物釋放裝置

【引言】

近年來，共軛聚合物制備的有機電子離子泵在生物傳感和神經界面方面取得了巨大的進展。在電壓控制下，OEIP釋放的物質不僅是小分子和生物醫學離子，而且還有蛋白質等大分子。表明藥物在治療平臺上的高效、精準、可控釋放是藥物釋放和治療的發展方向。近年來，通過對共軛聚合物的深入研究，用于分子釋放的電壓控制裝置已經發展為1 V的偏置電壓消耗。然而，設計的剛性結構和直流電源的要求嚴重限制了在實際醫學和診斷中的應用。從未來的應用和美觀的可穿戴醫療設備來看，所設計的設備要求便攜、輕便、自供電、靈活。目前，許多可能的電力收集策略，包括熱電發電機、太陽能電池或風能，可能為自供電電子設備鋪平道路。然而，風能和太陽能的間歇性以及熱電轉換效率較低仍然是進一步發展的障礙。因此，對能量收集器的要求很高，它具有連續工作、環保、靈活、輕便、高效、材料選擇廣泛等特點。解決電子設備能源供應問題的一個很有前途的方法是收集生物機械能并將其轉化為電能，從而實現可持續的設備。從2012年開始，摩擦電納米發電機（TENG）作為可穿戴電子產品的一項新發明的能量收集技術，已被證明可用于收集無處不在且持續可用的生物力學能量。此外，通過電源管理模塊（PMM）的實現，TENG打破了直接為電子設備供電或高效充電電容的瓶頸。因此，提高可穿戴設備的生物力學能量利用效率是實現可穿戴設備可持續發展的迫切需要。

【成果簡介】

近日，在中科院北京納米能源所、廣西大學張弛研究員團隊（通訊作者）帶領下，展示了一種用于精確控制小分子釋放的柔性藥物釋放裝置（FDRD）。首先，利用TENG，可以高效地收集生物機械能并將其轉化為電能。具有能夠輸出穩定電壓的PMM的TENG可以持續向FDRD供應電能。然后，由于聚（3-己基噻吩）（P3HT）膜在Na₂SO₄水溶液中具有電子/離子導電性和溶液可加工性，因此可以通過打開和關閉機械開關來調節獨特的可切換潤濕性。記錄了FDRD釋放的亞甲基藍（Mb）、熒光素鈉（FSA）、若丹明6G（R6）等小分子的濃度變化，并通過實時紫外-可見吸收光譜計算。最后，為了進一步驗證FDRD的性能，在FDRD上施加穩定電壓后，可以在Na₂SO₄水溶液中檢測到小分子藥物水楊酸（SA）。這項工作證明了FDRD具有結構靈活、自功率大等優點，可用于小分子的精確可控釋放，在可穿戴醫療設備、藥物可控釋放、自功率治療等方面具有更大的應用潛力。該成果以題為“Flexible Drug Release Device Powered by Triboelectric Nanogenerator”發表在了Adv. Funct. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1 柔性藥物釋放裝置（FDRD）的示意圖

a）基于PET膜（60 μm）作為基底，ITO電極，作為功能層的PVA/P3HT多層膜以及PDMS的FDRD的結構。

b）FDRD的局部截面圖。

c）FDRD的制作工藝。(i)-(ii)在ITO/PET層上旋涂PVA和分子層（3000 rpm）并干燥（80℃）；(iii)-(iv)之后是旋涂P3HT（2000 rpm）并干燥（60℃）（上述操作在裝有氬氣的手套箱中進行）。

d-f）ITO層d）、PVA＆分子層e）和P3HT層f）的原子力顯微鏡（AFM）的表面形貌。

圖2 摩擦電納米發電機（TENG）為FDRD穩定供電的示意圖

a）TENG的結構設計。

b）TENG的工作原理。

c）將表面電荷密度（σ_SC）從37.5提高到165.6 μC m^-2的極化氟化乙烯丙烯（FEP）膜。

d）TENG的輸出電壓。

e）超過30 000個周期的開路電壓（VOC）的穩定性。

f）自供電FDRD的電路示意圖；插圖（頂部）是TENG和（底部）電源管理模塊（PMM）的照片。

g）U_O和U_bias的波形。

圖3 FDRD小分子的釋放性能

a）在Na₂SO₄水溶液和ITO電極之間施加偏置電壓的接觸角變化。

b）P3HT膜的親水性-疏水性轉換行為是由TENG施加的偏置電壓控制的。

c）開關打開后，小分子從（聚乙烯醇）PVA層釋放到Na₂SO₄水溶液中。

d）開關關閉后，分子停止穿透P3HT膜。

e-g）接通開關3分鐘后，e）亞甲基藍（Mb），f）熒光素鈉（FSA）和g）羅丹明6G（R6）的紫外可見吸收光譜隨時間的增加而增加。

h-j）打開開關3分鐘后，Na₂SO₄水溶液中h）Mb（CMb），i）FSA（CFSA）和j）R6（CR6）的濃度隨時間變化。

圖4 由偏置電壓控制的FDRD持續釋放的小分子

a-c）該示意圖說明了a）Mb，b）FSA和c）R6在每5分鐘和最后1分鐘打開和關閉開關后的紫外可見吸收光譜。

d-f）d）CMb，e）CFSA和f）CR6隨著在Na₂SO₄水溶液中每一步施加偏壓而增加。

圖5?水楊酸（SA）可持續地從柔性設備中釋放出來

a）TENG收集了用于驅動FDRD的生物力學能量。

b）放大的示意圖說明了SA的可持續釋放。

c）彎曲FDRD的照片。

d）每5分鐘和最后1分鐘打開和關閉開關后SA的紫外可見吸收光譜。

e）在Na₂SO₄水溶液中的每一步中，隨著偏壓的施加，SA（CSA）的濃度都會增加。

f）SA釋放過程中P3HT層表面的接觸角變化。

【小結】

總之，這項工作證明了一種具有工作電壓低、結構靈活、可控釋放的具有TENG驅動的FDRD。在整個集成系統中，生物機械能被收集并有效地轉化為電能。具有PMM的TENG為P3HT薄膜在Na₂SO₄水溶液中的可控釋放和調節潤濕性提供了穩定的電壓。隨著開關的開啟，CMb、CFSA和CR6都在增加，這表明小分子成功地從FDRD中釋放出來。最后，在重復打開開關3次后，CSA達到1.4?μg mL^-1，展示了小分子藥物可以從FDRD中可控釋放。因此，FDRD具有結構靈活、可控、可持續釋放等優點，在智能治療、可穿戴醫療設備、藥物可控釋放等方面具有潛在的應用前景。

?文獻鏈接：Flexible Drug Release Device Powered by Triboelectric Nanogenerator（Adv. Funct. Mater.， 2020，DOI:10.1002/adfm.201909886）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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