基于壓電纖維的心肌細胞發(fā)電機及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于材料領域，具體而言，本發(fā)明涉及基于壓電纖維的心肌細胞發(fā)電機及其制備方法。
【背景技術】
[0002]現(xiàn)代科技的多元化發(fā)展，將能量需求跨度拉的很寬，既有太瓦量級的大功耗需求，又有低至幾微瓦的小功耗電子。其中小功耗電子主要面向可穿戴式電子和可植入的醫(yī)療器械應用。由于應用需求更加個人化和便攜化，所以自供電是小功耗電子能源問題發(fā)展方向。能量收集被認為是實現(xiàn)自供電系統(tǒng)的首選方案之一。能量收集(Energy harvesting)，是將環(huán)境能量轉換為電能，作為電池的替代品為電子設備供電。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。為此，本發(fā)明的一個目的在于提出一種制備基于壓電纖維的心肌細胞發(fā)電機的方法以及利用該方法制備得到的基于壓電纖維的心肌細胞發(fā)電機。利用該方法制備得到的基于壓電纖維的心肌細胞發(fā)電機能夠有效地解決心肌細胞的定向排布問題以及心肌細胞與壓電材料的兼容性問題，進而能夠有效實現(xiàn)能量轉換效率的最大化。
[0004]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提出了一種制備基于壓電纖維的心肌細胞發(fā)電機的方法，包括:
[0005]預備一塊玻璃板，并在所述玻璃板上涂敷PNIPAM，以便形成犧牲層；
[0006]向所述犧牲層上涂敷PDMS，以便形成半固化的PDMS薄膜襯底；
[0007]向所述半固化的PDMS薄膜襯底上的兩端分別半嵌入兩個金屬電極；
[0008]在半嵌入有金屬電極的半固化的PDMS薄膜襯底上形成壓電纖維層，組成所述壓電纖維層的多根壓電纖維排布方向一致并且連接兩個所述金屬電極；
[0009]在所述壓電纖維層上上載心肌細胞，所述心肌細胞沿所述壓電纖維層中的壓電纖維的長度方向排布和生長；
[0010]將所述兩個金屬電極分別連接電容，以便獲得所述心肌細胞發(fā)電機;以及
[0011]除去所述犧牲層，并將所述心肌細胞發(fā)電機剝離所述玻璃板。
[0012]本發(fā)明上述實施例的制備基于壓電纖維的心肌細胞發(fā)電機的方法，巧妙地利用壓電纖維的定向排布來控制和實現(xiàn)心肌細胞的定向排布和生長，進而實現(xiàn)了細胞和換能材料的兼容性，得到了細胞和壓電纖維的三維立體結構，從而得到了高性能的心肌細胞發(fā)電機。
[0013]另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的制備基于壓電纖維的心肌細胞發(fā)電機的方法還可以具有如下附加的技術特征:
[0014]在本發(fā)明的一些實施例中，所述壓電纖維層通過采用高壓遠場靜電紡絲方法制備得到。
[0015]在本發(fā)明的一些實施例中，所述壓電纖維是通過采用PZT、P⑶F和氧化鋅中的任意一種制備得到的。
[0016]在本發(fā)明的一些實施例中，所述高壓遠場靜電紡絲方法中利用接地電極和外加電壓建立的外電場，使得壓電纖維沿著特定的方向下落和排布。
[0017]在本發(fā)明的一些實施例中，在所述壓電纖維層上上載心肌細胞之前，進一步包括:
[0018]使用黏附蛋白對所述壓電纖維層進行表面改性，以便于所述心肌細胞生長和粘附在所述壓電纖維層上。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，本發(fā)明還提出了一種利用前面所述的方法制備得到的基于壓電纖維的心肌細胞發(fā)電機，所述基于壓電纖維的心肌細胞發(fā)電機包含:
[0020]PDMS薄膜襯底；
[0021]兩個電極，所述兩個電極分別半嵌入所述PDMS薄膜襯底的上表面；
[0022]壓電纖維層，所述壓電纖維層負載在所述PDMS薄膜襯底的上表面，所述壓電纖維層由多根排布方向一致的壓電纖維組成，且所述壓電纖維連接所述兩個電極；
[0023]心肌細胞層，所述心肌細胞層負載在所述壓電纖維層上，且所述心肌細胞層由多個心肌細胞組成，且每個所述心肌細胞沿所述壓電纖維的長度方向排布和生長；以及
[0024]電容，所述電容分別與所述兩個電極相連。
[0025]在本發(fā)明的一些實施例中，所述壓電纖維為PZT壓電陶瓷纖維、PCDF壓電纖維和氧化鋅壓電纖維中的任意一種。
【附圖說明】
[0026]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的制備基于壓電纖維的心肌細胞發(fā)電機的流程示意圖。
[0027]圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的利用制備基于壓電纖維的心肌細胞發(fā)電機的方法制備的壓電纖維層的示意圖。
[0028]圖3根據(jù)本發(fā)明一個實施例的利用制備基于壓電纖維的心肌細胞發(fā)電機的方法制備的心肌細胞層的示意圖。
[0029]圖4是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的基于壓電纖維的心肌細胞發(fā)電機的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0030]下面詳細描述本發(fā)明的實施例，實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0031]心肌細胞發(fā)電機是將心肌細胞自收縮的機械能轉換為電能的能量轉換模型。對心肌細胞和換能材料的兼容性機理進行探討，有利于疾病模型，組織工程等方面的研究。細胞發(fā)電機模型可在生物環(huán)境中定制微能源發(fā)生器，也可以植入到體內(nèi)，給體內(nèi)電子器件供電。然而，目前已有心肌細胞發(fā)電機仍存在一些技術問題。例如，T.1shisaka等人利用單根PZT壓電纖維將生長在PDMS膜上的心肌細胞的機械能轉換為電能，然而心肌細胞的無序性使得電壓輸出只有10mV;E.Choi等人設計了一種同心光圈結構，可以使得細胞沿著通信光圈結構排布，然而細胞機械收縮的不一致性使得電信號輸出不規(guī)律。
[0032]為此，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提出了一種制備基于壓電纖維的心肌細胞發(fā)電機的方法，根據(jù)本發(fā)明具體實施例的制備基于壓電纖維的心肌細胞發(fā)電機的方法包括:預備一塊玻璃板，并在玻璃板上涂敷PNIPAM，以便形成犧牲層；向犧牲層上涂敷PDMS，以便形成半固化的PDMS薄膜襯底；向半固化的PDMS薄膜襯底上的兩端分別半嵌入兩個金屬電極;在半嵌入有金屬電極的半固化的PDMS薄膜襯底上形成壓電纖維層，組成壓電纖維層的多根壓電纖維排布方向一致并且連接兩個金屬電極;在壓電纖維層上上載心肌細胞，心肌細胞沿壓電纖維層中的壓電纖維的長度方向排布和生長;將兩個金屬電極分別連接電容，以便獲得心肌細胞發(fā)電機;以及除去犧牲層，并將心肌細胞發(fā)電機剝離玻璃板。
[0033]本發(fā)明上述實施例的制備基于壓電纖維的心肌細胞發(fā)電機的方法，巧妙地利用壓電纖維的定向排布來控制和實現(xiàn)心肌細胞的定向排布和生長，進而實現(xiàn)了細胞和換能材料的兼容性，得到了細胞和壓電纖維的三維立體結構，從而得到了高性能的心肌細胞發(fā)電機。
[0034]根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，下面參考圖1詳細描述本發(fā)明具體實施例的制備于壓電纖維的心肌細胞發(fā)電機的方法。
[0035]根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，首先，預備一塊玻璃板，并在玻璃板上涂敷PNIPAM，以便形成犧牲層。其中的玻璃板僅作為操作平臺或者固定基底的作用，在玻璃板上形成的犧牲層可以用于固定后續(xù)的PDMS薄膜襯底。該犧牲層在37°C具有粘結作用，在22°C時會溶解。因此，采用利用該犧牲層可以很好地起到固定作用，同時剝離液比較方便，進而不會對在其上面形成的PDMS薄膜襯底造成損壞。
[0036]根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，進一步地，向上述得到的犧牲層上涂敷PDMS，以便形成半固化的F1DMS薄膜襯底;并向半固化的F1DMS薄膜襯底上的兩端分別半嵌入兩個金屬電極。由此，半固化的PDMS薄膜襯底具有一定的粘性，進而可以將金屬電極進行固定，另外，還可以將后續(xù)在其表面形成的壓電纖維層進行固定。
[0037]根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，進一步地，在半嵌入有金屬電極的半固化的TOMS薄膜襯底上形成壓電纖維層，組成壓電纖維層的多根壓電纖維排布方向一致并且連接兩個金屬電極。由此，壓電纖維的排布方向一致，可以進一步提高能量的轉換效率。
[0038]根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，壓電纖維層通過采用高壓遠場靜電紡絲方法制備得至IJ。并通過設計特定的纖維收集電極。根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，高壓遠場靜電紡絲方法中利用接地電極和外加電壓建立的外電場，使得壓電纖維沿著特定的方向下落和排布，如圖2所示。由此使得形成壓電纖維層的壓電纖維排布方向一致，進而可以進一步提高能量的轉換效率。
[0039]根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，壓電纖維是通過采用PZT、PCDF和氧化鋅中的任意一種制備得到的。由此，制備得到的纖維均具有良好壓電性。并通過靜電紡絲過程中的高壓極化和機械拉伸過程，使得壓電性能優(yōu)于薄膜材料。
[0040]根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，進一步地，在壓電纖維層上上載心肌細胞，心肌細胞沿壓電纖維層中的壓電纖維的長度方向排布和生長，如圖3所示。根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，心肌細胞的機械特性包括收縮性，自律性，興奮性和不應性，它是基于肌絲滑動原理收縮的。本發(fā)明的發(fā)明人巧妙地利用了壓電吸纖維的物理引導作用，使得心肌細胞沿著壓電纖維的長度方向排布和生長，進而使得心肌細胞的收縮方向與壓電纖維的排布方向一致，實現(xiàn)了能力轉換效率的最大化。
[0041]根據(jù)本發(fā)明的具體實施例，在壓電纖維層上上載心肌細胞之前，進一步包括:使用黏附蛋白對壓電纖維層進行表面改性，以便于心肌細胞生長和粘附在壓電纖維層上。由此可以有使得心肌細胞能夠更好地生長在所述壓電纖維上，并且能搞提高二者的結合力，進而使得心肌細胞