北京纳米能源所张弛团队Adv. Funct. Mater.：摩擦电纳米发电机驱动的柔性药物释放装置

【引言】

近年来，共轭聚合物制备的有机电子离子泵在生物传感和神经界面方面取得了巨大的进展。在电压控制下，OEIP释放的物质不仅是小分子和生物医学离子，而且还有蛋白质等大分子。表明药物在治疗平台上的高效、精准、可控释放是药物释放和治疗的发展方向。近年来，通过对共轭聚合物的深入研究，用于分子释放的电压控制装置已经发展为1 V的偏置电压消耗。然而，设计的刚性结构和直流电源的要求严重限制了在实际医学和诊断中的应用。从未来的应用和美观的可穿戴医疗设备来看，所设计的设备要求便携、轻便、自供电、灵活。目前，许多可能的电力收集策略，包括热电发电机、太阳能电池或风能，可能为自供电电子设备铺平道路。然而，风能和太阳能的间歇性以及热电转换效率较低仍然是进一步发展的障碍。因此，对能量收集器的要求很高，它具有连续工作、环保、灵活、轻便、高效、材料选择广泛等特点。解决电子设备能源供应问题的一个很有前途的方法是收集生物机械能并将其转化为电能，从而实现可持续的设备。从2012年开始，摩擦电纳米发电机（TENG）作为可穿戴电子产品的一项新发明的能量收集技术，已被证明可用于收集无处不在且持续可用的生物力学能量。此外，通过电源管理模块（PMM）的实现，TENG打破了直接为电子设备供电或高效充电电容的瓶颈。因此，提高可穿戴设备的生物力学能量利用效率是实现可穿戴设备可持续发展的迫切需要。

【成果简介】

近日，在中科院北京纳米能源所、广西大学张弛研究员团队（通讯作者）带领下，展示了一种用于精确控制小分子释放的柔性药物释放装置（FDRD）。首先，利用TENG，可以高效地收集生物机械能并将其转化为电能。具有能够输出稳定电压的PMM的TENG可以持续向FDRD供应电能。然后，由于聚（3-己基噻吩）（P3HT）膜在Na₂SO₄水溶液中具有电子/离子导电性和溶液可加工性，因此可以通过打开和关闭机械开关来调节独特的可切换润湿性。记录了FDRD释放的亚甲基蓝（Mb）、荧光素钠（FSA）、若丹明6G（R6）等小分子的浓度变化，并通过实时紫外-可见吸收光谱计算。最后，为了进一步验证FDRD的性能，在FDRD上施加稳定电压后，可以在Na₂SO₄水溶液中检测到小分子药物水杨酸（SA）。这项工作证明了FDRD具有结构灵活、自功率大等优点，可用于小分子的精确可控释放，在可穿戴医疗设备、药物可控释放、自功率治疗等方面具有更大的应用潜力。该成果以题为“Flexible Drug Release Device Powered by Triboelectric Nanogenerator”发表在了Adv. Funct. Mater.上。

【图文导读】

图1柔性药物释放装置（FDRD）的示意图

a）基于PET膜（60 µm）作为基底，ITO电极，作为功能层的PVA/P3HT多层膜以及PDMS的FDRD的结构。

b）FDRD的局部截面图。

c）FDRD的制作工艺。(i)-(ii)在ITO/PET层上旋涂PVA和分子层（3000 rpm）并干燥（80℃）；(iii)-(iv)之后是旋涂P3HT（2000 rpm）并干燥（60℃）（上述操作在装有氩气的手套箱中进行）。

d-f）ITO层d）、PVA＆分子层e）和P3HT层f）的原子力显微镜（AFM）的表面形貌。

图2摩擦电纳米发电机（TENG）为FDRD稳定供电的示意图

a）TENG的结构设计。

b）TENG的工作原理。

c）将表面电荷密度（σ_SC）从37.5提高到165.6 µC m^-2的极化氟化乙烯丙烯（FEP）膜。

d）TENG的输出电压。

e）超过30 000个周期的开路电压（VOC）的稳定性。

f）自供电FDRD的电路示意图；插图（顶部）是TENG和（底部）电源管理模块（PMM）的照片。

g）U_O和U_bias的波形。

图3FDRD小分子的释放性能

a）在Na₂SO₄水溶液和ITO电极之间施加偏置电压的接触角变化。

b）P3HT膜的亲水性-疏水性转换行为是由TENG施加的偏置电压控制的。

c）开关打开后，小分子从（聚乙烯醇）PVA层释放到Na₂SO₄水溶液中。

d）开关关闭后，分子停止穿透P3HT膜。

e-g）接通开关3分钟后，e）亚甲基蓝（Mb），f）荧光素钠（FSA）和g）罗丹明6G（R6）的紫外可见吸收光谱随时间的增加而增加。

h-j）打开开关3分钟后，Na₂SO₄水溶液中h）Mb（CMb），i）FSA（CFSA）和j）R6（CR6）的浓度随时间变化。

图4由偏置电压控制的FDRD持续释放的小分子

a-c）该示意图说明了a）Mb，b）FSA和c）R6在每5分钟和最后1分钟打开和关闭开关后的紫外可见吸收光谱。

d-f）d）CMb，e）CFSA和f）CR6随着在Na₂SO₄水溶液中每一步施加偏压而增加。

图5水杨酸（SA）可持续地从柔性设备中释放出来

a）TENG收集了用于驱动FDRD的生物力学能量。

b）放大的示意图说明了SA的可持续释放。

c）弯曲FDRD的照片。

d）每5分钟和最后1分钟打开和关闭开关后SA的紫外可见吸收光谱。

e）在Na₂SO₄水溶液中的每一步中，随着偏压的施加，SA（CSA）的浓度都会增加。

f）SA释放过程中P3HT层表面的接触角变化。

【小结】

总之，这项工作证明了一种具有工作电压低、结构灵活、可控释放的具有TENG驱动的FDRD。在整个集成系统中，生物机械能被收集并有效地转化为电能。具有PMM的TENG为P3HT薄膜在Na₂SO₄水溶液中的可控释放和调节润湿性提供了稳定的电压。随着开关的开启，CMb、CFSA和CR6都在增加，这表明小分子成功地从FDRD中释放出来。最后，在重复打开开关3次后，CSA达到1.4 µg mL^-1，展示了小分子药物可以从FDRD中可控释放。因此，FDRD具有结构灵活、可控、可持续释放等优点，在智能治疗、可穿戴医疗设备、药物可控释放等方面具有潜在的应用前景。

文献链接：Flexible Drug Release Device Powered by Triboelectric Nanogenerator（Adv. Funct. Mater.， 2020，DOI:10.1002/adfm.201909886）

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