水凝胶发生器，不对称设计妙，医电应用前景广

news2024/11/27 12:39:49

大家好！今天来了解一种具有工程机械离子不对称性的水凝胶发生器——《A high-current hydrogel generator with engineered mechanoionic asymmetry》发表于《Nature Communications》。嘿！你能想象一种材料，它能像魔法一样在低频运动下产生高电流，为可穿戴和植入式设备提供能源吗？它突破了传统发电机的局限，通过独特的结构和化学设计，为生物医学和可穿戴设备领域带来了全新的能源解决方案，让我们一起走进这个神奇的研究吧！

*本文只做阅读笔记分享*

一、研究背景

随着电子设备与生物体的融合需求增加，需要开发适用于可穿戴和植入式系统的软且生物相容的机电能量转换器。传统电磁发电机因与生物系统机械不匹配，摩擦电和压电纳米发电机存在输出电流低的问题。而多数生物机械能是低频低速的，但部分生物医学应用却要求高电流，所以开发能在低频低速机械能输入下产生高电流和高转移电荷的软机电设备成为研究重点。机械离子机制产生电流是一种有潜力的方法，但目前其电流输出水平较低。

二、水凝胶发生器的设计

（一）结构设计

1、形状与制备

水凝胶被设计成金字塔形状的阵列。通过将15wt%PVA溶液倒入3D打印模具，物理交联后脱模制成。例如在实际制备过程中，经过多次冷冻-解冻循环来提高机械性能。

这种金字塔结构在压缩时，其截面面积随高度变化，会产生高应变梯度（经有限元分析验证）。应变梯度使水从大压缩应变区域移向小应变区域，导致离子浓度产生梯度。

2、离子扩散原理

由于阳离子（如Li⁺）和阴离子（如Cl⁻）在水凝胶中的扩散率不同，在应变梯度作用下会产生净离子电流。例如，Cl⁻阴离子扩散速率比Li⁺阳离子高，这种差异促使离子在水凝胶内部移动产生电流。

（二）电极设计

1、电极材料选择

采用未经处理的碳布（CC）作为底部对电极，将其浸入水凝胶前驱体中，确保交联后有良好的界面。另一个是经过电化学活化过程的活性炭布（ACC）作为顶部工作电极。

2、电极特性

ACC电极表面有丰富的含氧官能团，通过X射线光电子能谱（XPS）和扫描电子显微镜（SEM）图像的元素映射证实。其总氧含量为16.95at%，而CC仅为3.16at%。这些官能团能增强对阳离子（如Li⁺）的吸附能力，进一步强化净离子电流的产生。

三、工作机制

（一）离子扩散与电极吸附协同

1、扩散与吸附作用

在水凝胶中，Cl⁻阴离子扩散速率比Li⁺阳离子高。在压缩过程中，金字塔结构产生的应变梯度使离子发生扩散，同时ACC电极对Li⁺有强吸附作用（通过密度泛函理论（DFT）计算表明），进一步减少了Li⁺的扩散通量，强化了电荷分离，从而提高了电流输出。

2、界面离子分布

当ACC与水凝胶接触时，Li⁺倾向于在ACC-水凝胶界面积累，而Cl⁻则远离该界面，这有利于产生电流。

（二）电极不对称性的影响

1、对称电极对比

通过对比实验证明，使用对称电极对（如两个CC或两个ACC电极）的发电机电流输出峰值较小。当ACC工作电极和CC对电极反转时，电流产生很少，因为离子吸附效果被翻转且与离子扩散作用相互抵消。

2、改变电极吸附特性

改变ACC工作电极的表面功能化使其能够吸附阴离子（通过聚乙烯亚胺（PEI）处理）时，电流方向会反转。通过逐步去除PEI的实验，进一步证明了选择性离子吸附对机械离子电流产生的重要性。

四、性能测试与应用

（一）性能测试

1、电流输出

在80kPa压力下，电流可高达4mA（5.5A/m²），转移电荷为916mC/m²，比现有设备大3-5个数量级。输出电流和电压随ACC工作电极电化学氧化时间的增加而增加。

2、影响因素

离子浓度：使用4MLiCl的水凝胶电流输出更高，且在约60kPa时达到饱和；使用1MLiCl的水凝胶，电流随压力增加而上升；而使用DI水基水凝胶作为电解质时，在任何压力下都无电流信号。

恢复时间和应变率：恢复时间延长，响应电流增加并趋于稳定；应变率提高，峰值电流增加，但转移电荷减少。

3、其他特性

水凝胶发生器可快速为电容器充电，例如一个2F电容器可在350s内充电到29mV，充电速率高达166μC/s。

具有出色的耐久性，在7500次压缩循环后输出无明显下降，可在高湿度环境下稳定输出，且水凝胶部分可回收利用。

（二）应用展示

1、为电子设备供电

与电源管理系统配合，可为2F电容器充电，进而为LED、温度计和液晶显示器供电。还设计了集成水凝胶发生器的鞋垫用于收集步行机械能并为电容器充电。

2、在生物医学中的应用

作为集成药物释放系统的电源，通过电沉积将掺杂有多巴胺和抗生素（头孢唑林钠）的聚吡咯（PPy）层沉积在CC上。在体外实验中，通过周期性敲击可控制药物释放；

在体内实验中，作为自供电抗菌贴片（SAP）用于治疗感染小鼠的伤口，结果表明SAP能有效促进伤口愈合，其覆盖的伤口面积比普通绷带覆盖的伤口面积缩小得更快。

五、研究结论与展望

通过结构和化学不对称性的协同优化，实现了基于放大机械离子效应的高电流水凝胶发生器。该发生器在电流和电荷转移方面的优异性能有利于生物医学应用，如自供电药物释放贴片用于伤口愈合。这种离子电流产生机制与生物体和生物水凝胶自然兼容，水凝胶材料还可进一步赋予生物活性、生物降解性、生物粘附性等特性，有望在软电子、生物医学设备等领域实现更多应用。

六、一起来做做题吧

1、传统电磁发电机在为生物系统提供能量时存在的主要问题是（）

A. 输出电流过低

B. 与生物系统机械匹配性差

C. 无法利用低频运动

D. 内部阻抗过高

2、水凝胶发生器的金字塔结构设计的主要作用是（）

A. 增强电极的吸附能力

B. 提高水凝胶的柔韧性

C. 产生高应变梯度以诱导离子电流

D. 增加水凝胶的导电性

3、ACC 电极相比 CC 电极的优势在于（）