[发明专利]基于含氧官能团修饰的碳纳米管的可植入超级电容器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于组织工程技术领域，具体涉及基于含氧官能团修饰的碳纳米管的可植入超级电容器及其制备方法。

背景技术

可植入式器件作为一种埋置在生物体或人体内的器件，主要用来观察和测量生命体内生理生化参数的长期变化，诊断、治疗某些疾病，实现在生命体自然状态下体内的直接测量和控制功能，也可用来代替功能已丧失的器官。由于其突出的作用，可植入式器件已成为医疗电子器件中的一个极为重要的组成部分，它的发展是21世纪生物医学电子发展的一个重要方向。

快速发展的柔性电子器件在生物医学领域具有很大的应用前景，例如可监测生物信号，如心电图以及热、机械和电相关的生理信息。其中，可植入式的柔性电子器件的出现为监测生物体体内的健康状况提供了一个有效的方法。而其中的关键是要找到既具有生物相容性和可植入性，又能与监测功能相匹配的能源系统。由于超级电容器具有极高的功率密度，因此有希望作为可植入电子器件的供能装置。然而，传统的超级电容器并不能很好地满足以上的要求。比如，它们不具备柔性而且很重，不适用于可便携式的柔性器件；所用到的电解质并不稳定，因此需要严格密封，这使得手术过程变得复杂而且增加了病人的疼痛；复杂的密封也使得超级电容器的微型化变得困难。

碳纳米管材料，特别是取向碳纳米管纤维，由于其质轻、柔性以及优异的机械和电学性能，受到人们的广泛关注。然而，碳纳米管的本征疏水性限制了其在生物医药领域的应用。比如，由于取向碳纳米管具有各向异性的结构，可将其用于引导不同组织内细胞的增殖和分化，但是由于碳纳米管的疏水性，导致其与细胞之间的相互作用很弱，这极大地降低了细胞在碳纳米管基底上的附着率和生长速率，不具有良好的生物相容性。除此之外，碳纳米管由于具有高的比表面积以及电导率，被广泛用作电极以制备能源储存器件，例如超级电容器，但是由于其疏水性，导致其对于亲水性电解质的润湿性很差，从而使得制得的超级电容器能量密度降低。

因此，我们发展了一种简便高效的方法来连续制备具有生物相容性的碳纳米管纤维，并将其作为电极用于制备可直接在生物体液中工作的超级电容器。通过氧等离子体处理可纺的碳纳米管阵列，可以得到亲水性的可纺碳纳米管阵列，进一步通过按压剥离可制备得到具有亲水表面的取向碳纳米管薄膜，再通过加捻即可得到具有很好的生物相容性的亲水碳纳米管纤维。其显示出优良的电学和机械性能，并且在生物体液，例如磷酸盐缓冲液、血清和全血中显示出良好的储能性质。在磷酸盐缓冲液中，其比电容可以达到10.4 F/cm³或20.8 F/g，并且在进行了10000次充放电之后，依然能够保持98.3%的比电容。

发明内容：

本发明的目的是提供一种基于含氧官能团修饰的碳纳米管的可植入超级电容器及其制备方法。

本发明提供的含氧官能团修饰的碳纳米管的可植入超级电容器的制备方法，具体步骤如下：

（1）通过化学气相沉积方法合成碳纳米管阵列；

（2）用微波氧等离子体对碳纳米管阵列进行处理；

（3）将得到的可纺的亲水碳纳米管阵列按压剥离，得到碳纳米管薄膜；

（4）将碳纳米管薄膜进行加捻，可得到碳纳米管纤维；

（5）将两根碳纳米管纤维并排，作为电极，生物体液作为电解质，得到超级电容器。

步骤（1）中，沉积温度为700-800摄氏度，时间为10-20分钟。

步骤（2）中，氧等离子体处理的压强是0.01-1 毫巴，氧气的流速为100-300 sccm，功率为50-200 瓦，反应时间为1-60分钟。

步骤（2）中，所得碳纳米管阵列的高度为100-400微米。

步骤（3）中，得到的碳纳米管阵列的氧含量为1.7-10.8 wt%。

步骤（4）中，所述纤维的直径从1微米到100微米。

步骤（4）中，所述纤维的螺旋角从0度到43度，优选15度到43度。

步骤（5）中，所述生物体液，包括磷酸盐缓冲液、血清、全血等。

本发明的优点在于：

采用了一种简便高效的方法来合成生物相容性很好的取向碳纳米管纤维，并将其作为电极来制备纤维状的超级电容器。可以成功以生物体液，包括磷酸盐缓冲液、血清、全血为电解质，比容量最高能达到10.4 F/cm³或20.8 F/g。由于其质轻且具有柔性，可被编织成能源织物，有望大规模地应用于生物医药领域。

附图说明