[发明专利]一种生物蛋白柔性纳米摩擦发电机及其制备方法

说明书

本发明提供一种生物蛋白柔性纳米摩擦发电机及其制备方法，包括：制备生物蛋白溶液；提供光栅模板，在光栅模板表面涂覆所述生物蛋白溶液，干燥分离，获得单面具有微纳光栅结构的生物蛋白膜；采用人体可植入金属作为靶材，在生物蛋白膜的无光栅结构的表面上溅射摩擦电极层；裁剪，将生物蛋白膜分别用作第一生物蛋白层、第二生物蛋白层，摩擦电极层用作第一金属摩擦电极层、第二金属摩擦电极层，形成生物蛋白柔性纳米摩擦发电机。本发明的发电机全部由人体可降解材料组成，植入人体后不会造成免疫反应，无需二次手术取出。通过光栅结构可以查看反射图形的完整性与反射强度，实时反馈发电机的输出功率，监测生物蛋白柔性纳米摩擦发电机的降解情况。

技术领域

本发明属于植入式医疗发电机技术领域，特别是涉及一种生物蛋白柔性纳米摩擦发电机及其制备方法。

背景技术

从生活环境中采集能量，被广泛视为实现绿色能源和能源可持续发展的有效途径，将有望在无线传输系统、植入式医疗器件、乃至消费类电子的供能中发挥重要作用。基于摩擦起电与静电感应原理，通过简单低成本的加工制备的微型摩擦发电机可以完成对周围环境机械能的高效率采集，实现高输出功率密度和能量转换效率。除了能量采集的功能外，由于纳米摩擦发电机对于冲击力的高度敏感，纳米摩擦发电机还可以作为力学传感器，应用于人体贴合器件等，实现人体运动检测等监控功能。

而现有摩擦发电机的输出具有高输出电压、低输出电流的特点，这使得能量转换变得极其困难，从而限制了其实际应用价值。故如何通过简单而低成本的加工方法来实现高输出性能，高表面电荷密度的摩擦发电机显得十分重要。除了输出功率低的缺点外，且在柔性和人体组织兼容性方面仍需进一步提高。最后由于摩擦发电机受环境湿度等因素影响，如何能简便地实时获得发电情况，也是目前有待解决的问题之一。

蚕丝是熟蚕结茧时分泌液凝固而成的连续长纤维，蚕丝蛋白是从蚕丝中提取的天然高分子纤维蛋白，含量约占蚕丝的70％～80％，含有18种氨基酸。蚕丝蛋白本身具有良好的机械性能和理化性质，并且与人体有极好的生物相容性，蚕丝蛋白材料在人体降解之后是氨基酸和多肽，对人体无毒害作用，所以蚕丝蛋白被广泛应用于生物医学研究领域。蜘蛛丝蛋白是一种特殊的纤维蛋白，它不仅具有很高的强度、弹性、柔韧性、伸长度和抗张强度，而且还具备轻盈、生物兼容、生物可降解等优点，但其产量太低。基于基因工程技术，通过工程菌表达系统，可得到与天然蜘蛛丝蛋白性质相近的基因重组蜘蛛丝蛋白。其本身具有良好的机械性能和理化性质，并且与人体有极好的生物相容性，在人体降解之后是氨基酸和多肽，对人体无毒害作用，所以基因重组蜘蛛丝蛋白被广泛应用于生物医学研究领域。特别值得注意的是，蚕丝与蛛丝蛋白相对于其它高分子聚合物，其结构中富含带电基团，与外界摩擦后，极易产生摩擦电。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种生物蛋白柔性纳米摩擦发电机及其制备方法，用于解决现有技术中摩擦发电机发电效率低、柔性低、和人体组织兼容性较低、且缺乏反馈途径的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种生物蛋白柔性纳米摩擦发电机的制备方法，所述制备方法至少包括：

1)制备生物蛋白溶液；

2)提供光栅模板，在所述光栅模板表面涂覆所述生物蛋白溶液，干燥分离，获得单面具有微纳光栅结构的生物蛋白膜；

3)采用人体可植入金属作为靶材，在所述生物蛋白膜的无微纳光栅结构的表面上溅射形成摩擦电极层；

4)裁剪所述生物蛋白膜和摩擦电极层，将所述生物蛋白膜用作第一生物蛋白层，所述摩擦电极层用作第一金属摩擦电极层；

5)重复步骤1)至步骤3)，裁剪所述生物蛋白膜和摩擦电极层，将所述生物蛋白膜用作第二生物蛋白层，所述摩擦电极层用作第二金属摩擦电极层；