《ACS Nano》:用超声波充电的水凝胶!可用于植入器件远程充电

胰岛素泵起搏器和植入式助听器等电子设备越来越多地用于植入式医疗设备,与此同时,为此类设备进行无线、远距离充电的需求也日益增加。日前,沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)沙特国王本阿卜杜勒阿齐兹健康科学大学(King Saud bin Abdulaziz University for HealthSciences)的联合研究团队,首次研制出可用于对植入电子器件进行超声充电的水凝胶。这一突破性进展将大大降低为这些设备的电池进行充电所需的侵入性手术带来的风险。相关工作以“Ultrasound-Driven Two-Dimensional Ti3C2Tx MXene Hydrogel Generator”发表在《ACS Nano》

《ACS Nano》:用超声波充电的水凝胶!可用于植入器件远程充电

超声波是一种很少被利用的环境能源。目前获得超声能量的方法主要是基于压电效应和摩擦起电效应的机理,利用这两种方法获取能量需要特殊的材料,并且需要对器件几何结构进行精心设计,从而让材料产生足够的机械位移,将声能转化为电能。与目前植入式超声波能量采集器的采集方法不同,该团队的超声发电水凝胶进行声能转换是基于一种电声现象:流激振动势,同时还开创性的与摩擦生电这一简单物理效应进行耦合,进一步提高了该水凝胶的发电输出功率。

机理:

MXenes是一种二维陶瓷材料,通式为Mn+1XnTx(M,X,Tx代表过渡金属元素、碳和氮)与大多数二维陶瓷材料不同,由过渡金属(如钛)的碳化物和氮化物制成的分子片使得MXenes具有良好导电性和优良的体积电容,目前MXenes材料已经在储能、医学器件,光电子等领域有所应用。

该研究团队发现MXenes和聚乙烯醇(PVA)混合可以形成三维网络结构的水凝胶(M-凝胶),即M-凝胶可以被认为是一种充满水的多孔体,如图2a所示。所制备的MXene基水凝胶(M-凝胶)不仅力学性能有大幅度提高,还具有非对称应变敏感性。压力驱动流可以将双电层(EDL)中多余的反离子拖到带电表面附近,产生流动电流,在没有外部平衡负载的情况下,会产生一个流动电位来平衡流动电流。这种由超声波产生的电势的就是流激振动势。流激振动势通常在在微通道、纤维和多孔膜中产生。

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图2:M-凝胶产生电压现象的机理。(a)示意图显示了在Ti3C2Tx-MXene-PVA水凝胶中双电层(EDL)的形成。(b)使用不同厚度的介质(eco-flex),M-凝胶输出电压随H2SO4 质量分数的变化。(c)超声波驱动的M-凝胶电信号产生机制示意图。

研究团队还设计了两个对比模型,来研究机械摩擦是否有助于提升该凝胶装置的发电功率。如图3所示。

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图3,对比模型实验研究摩擦带电的影响:(a)实验装置示意图,其中超声波应用于尼龙(Nylon)和共聚酯(Eco-flex)堆叠层,以10Hz的频率振动。(b)实验的输出电压如(a)和(c)所示。(d)实验装置示意图,其中超声波应用于M-凝胶层,振动器在尼龙(Nylon)和共聚酯(Eco-flex)层上振动。(e)实验的输出电压如(e)和(f)所示。

该对比模型实验的结果表明在M-凝胶发电材料中,超声波可以引起摩擦带电并产生静电场,在静电场作用下,M-凝胶发电材料产生的电压可以得到明显提高。

工作性能:

在实际应用的实验结果中,可看出M-凝胶发电材料具有高输出功率和高转换效率,具有应用于可持续清洁电源的潜力,实验演示如图4所示。发电产生的整流电压高于6V(图4b)。当一个电容器(100uF)连接到电路上时,电容器的电压在60s内增加到1.68 V(图4c),平均充电速率为2.8μC/s。M-凝胶发电材料产生的电力足以连续驱动普通电器,如湿度计(图4d)。为了测试发生器在体内应用的可行性,我们将增强型M-凝胶发电材料插入一块厚度与植入装置相关的新鲜牛肉中(图4e、f)。在负载电阻为10MΩ和100KΩ时,M-凝胶发电材料的输出信号分别为∼4.5V和14.4μA(图4g,h)。除了实验室使用的超声波探头,该发生器还可以从普通医用超声探头中获取超声能量,用于成像和物理治疗(图4i)。在使用成像探头的情况下,可以观察到∼5 V电压输出(图4J)。

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图4凝胶发电器的应用:(a)用于实际应用的M-凝胶发电器电路图。(b)凝胶发电器的整流电压输出。(c)与电路相连的电容器(100μF)的充电曲线。(d)由凝胶发电器供电的电湿度计照片。(e)将凝胶发电器封装在一块牛肉内和(f)测量装置。(g)牛肉片内的凝胶发电器产生的电压和(h)电流。电压和电流测量分别使用10 MΩ和100 kΩ的负载电阻。(i)照片显示了凝胶发电器的超声波能量收集行为,使用医学超声探头进行。(j)利用医用超声探头,凝胶发电器输出相应的电压。(k)超声感应电压输出测量为超声波尖端和发生器之间介质厚度的函数。

亮点小结:

这是首次证明水凝胶可以从普通超声探头中获取超声能量。这种材料制造成本低廉,制造过程简单明了,新的材料和设备可以基于这些充电机制,从而产生更高效的超声波采集设备。主要应用于植入式设备的远程充电,这项技术的有效性和低成本,意味着有起搏器或神经刺激器的患者可以避免进行侵入性手术来更换电池,而只需一个超声波探头就可以远程充电。

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