皮肤状弹性体镶嵌氧化锌纳米阵列用于生物机械能收集

ty10086 提交于 周三, 08/25/2021 - 15:52
文章英文标题
Skin‐like Elastomer Embedded Zinc Oxide Nanoarrays for Biomechanical Energy Harvesting
正文
能量收集器( EH )技术已迅速发展,以替代生物力学电子的电池,但在实现柔性和生物相容性能量收集器方面,仍需努力缩小技术差距。目前基于ZnO纳米阵列的柔性能量收集器需要复杂的制作工艺,而且由于通常是在硬基片上制作,因此它们是不可拉伸的。本工作报道了一种简单的方法,即直接将ZnO纳米阵列完全嵌入到与人体皮肤具有相似力学性能的类皮肤聚二甲基硅氧烷( PDMS )弹性体基体中,制备无基底能量收集器。该柔性器件的弹性模量为3.3 MPa,可拉伸至原长度的250 %,可产生高达9.2 Vpp的开路电压,并可通过手指移动驱动LED。此外,该装置通过体外和体内试验从手指运动和心跳中收集能量。由安装在猪模型无铅起搏器上的装置产生约0.3 Vpp开路电压。这项工作提出了一种通用的设计策略,克服了能量材料和软组织之间的机械不匹配,适用于从可穿戴到可植入的各种生物力学EH应用。
文章内容(英文)
Energy harvesting (EH) technologies have been rapidly developed to replace the batteries of biomechanical electronics, but efforts are still needed to close the technology gaps in achieving flexible and biocompatible energy harvesters. Current flexible energy harvesters based on ZnO nanoarrays require complex fabrication processes, and they are non‐stretchable as they are usually fabricated on hard substrates. In this work, a facile approach is reported for fabricating a substrate‐free energy harvester with ZnO nanoarrays directly and fully embedded in a skin‐like polydimethylsiloxane (PDMS) elastomeric matrix that shares a similar mechanical property with that of human skin. The flexible device, with an elastic modulus of 3.3 MPa, can be stretched to 250% of its original length, generates an open‐circuit voltage up to 9.2 Vpp and power LEDs from finger‐hand motions. Further, the device collects energy from hand‐finger motions and heartbeats through ex and in vivo tests. A ≈0.3 Vpp open circuit voltage is generated from the device installed on a leadless pacemaker in a porcine model. This work suggests a generic design strategy that overcomes the mechanical mismatch between the energy materials and soft tissues for a wide range of biomechanical EH applications from wearables to implantable ones.
来源出处
Journal|[J]Advanced Materials InterfacesVolume 8, Issue 10. 2021.
DOI
https://doi.org/10.1002/ADMI.202100094

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