清華大學合作團隊Nano Energy：摩擦納米發電機，讓細胞打印更加簡捷安全！

在最新的《納米能源》(Nano Energy)上，清華大學機械系程嘉副研究員與姚睿特聘研究員（教研系列副教授）、路益嘉博士合作，發文報道了一種將摩擦納米發電機（Triboelectric Nanogenerator，TENG）應用于細胞打印領域的新技術。基于摩擦納米發電機產生的高電壓和低電流特性，該研究提供了一種新型的“摩擦電細胞打印技術”，與現有方式相比該技術設備結構簡單、操作簡捷，可穩定獲取大量包含著活性細胞的水凝膠微結構，細胞存活率達92%以上。

圖1 摩擦電細胞打印技術與細胞成活率

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模塊化組織工程（Modular tissue engineering）是一種構建具有特定結構特征的體外微組織，并利用模塊化單元自下而上設計和組裝形成生物組織的技術，可以制造結構復雜的仿生人工組織，應用于細胞治療、再生醫學、人造器官、藥物篩選等領域。實現這一過程的第一步，是制造用于搭建復雜組織的“積木”，而包載著活性細胞的水凝膠微球具有良好的機械性能和可組裝性，為細胞的生命活動提供仿生的三維細胞微環境，是最常用的研究對象之一。

圖2 摩擦電細胞打印技術產生的細胞微球

高壓靜電力驅動的細胞打印是產生細胞微球結構體是最常見的方式之一。在高壓電場所產生的靜電力作用下，噴頭處的液體克服表面張力和粘性力，分散為微米級別的小液滴并噴頭脫離，落入下方收集裝置中形成均勻包裹著細胞的水凝膠微球。這種方法可以產生相對單分散、細胞活性高、形狀和尺寸可控的微球。另外，通過調節電場強度，例如改變輸入電壓或電極距離，可以方便地調節產生的微球直徑以及滲透性。

圖3 高壓靜電力驅動細胞打印的原理

以往研究多采用商業電源產生直流或脈沖高壓輸出，提供細胞打印所需的靜電力，系統相對復雜和昂貴。考慮到摩擦納米發電機在高壓靜電場相關的應用中具有獨特優勢——高電壓、低電流（意味著對細胞活性的低損傷），研究人員設想利用摩擦納米發電機作為一種新型的高壓電源可以使細胞打印技術更為簡捷、安全。

摩擦納米發電機是一種基于摩擦起電和靜電感應原理，可將各種形式的機械能轉換為電能的設備。與電磁發電機相比，具有結構簡單、價格低廉、柔軟、適用于低頻等優點，因此常用于能量收集、自供能傳感器等。摩擦納米發電機具有輸出電壓高，輸出電流小的特點，在為高壓容性負載供能時具有獨特優勢，在高電壓應用領域的研究方興未艾。

圖4 摩擦納米發電機的原理

由此，研究人員開發了一種由獨立式轉盤TENG（FRD-TENG）和電壓倍增整流電路（VMRC）驅動的細胞打印裝置。摩擦納米發電機和倍壓整流電路可提供高達5-8 kV的直流高壓輸出，可穩定產生直徑可控、形狀規則、適合細胞培養的水凝膠微球。

圖5摩擦電細胞打印裝置

為評估打印過程對細胞活性等生物學性能的影響，研究人員分別采用兩種不同的細胞：肝臟干細胞（HepaRG cells）和腫瘤細胞（Hela cells）進行了實驗研究，結果顯示，打印后兩種細胞的存活率均超過92%。法拉第屏蔽盒測量結果顯示，利用TENG打印的微球所帶電量（34.40±4.48 pC）相對于商業電源（42.40±19.66 pC）更低、更穩定。這表明，摩擦電細胞打印技術可以有效且安全地應用于生物學和醫學領域，并具有打印電敏感性細胞的潛力。? ?

圖6 微球攜帶電量測量示意圖與電荷及電流

研究人員利用高速攝像機捕捉了摩擦電輔助打印產生的液滴下落過程，這個過程約需20ms，同時利用COMSOL軟件對這一過程進行了仿真對照與機理分析，取得了較好的一致性。

圖7 高速攝像機拍攝液滴下落過程

目前摩擦納米發電機的應用仍面臨一些共性問題：磨損以及溫度和濕度等環境因素可能導致電學輸出不穩定，這些問題需要在工程實踐中不斷進行優化。為使該技術能更好地應用于細胞打印等生物醫學領域，研究人員對如何降低微球電量、優化電壓波動、提高打印精度等一系列問題正在不斷努力嘗試。

圖8 微球可用于細胞移植與藥物控釋

實驗結果證明摩擦納米發電技術可以安全有效地應用于細胞打印領域，是現有技術的有益補充，在無法使用傳統電源的場景下具有技術競爭優勢，同時佐證了摩擦納米發電機在合適的場景下，可以直接作為一種簡單有效的高壓電源。這一技術的提出，為簡單、高效、安全地實現細胞打印及其在生物印刷、生物制造、藥物輸送等領域的應用提供了一條全新的道路，諸如通過細胞微球的排列堆疊建造生物組織，最終獲取人造器官，或是用于藥物控釋。該報道為生物醫療領域與摩擦發電技術的結合提供了新的可能，目前正在申請相關國內外專利。該團隊研究人員自2018年9月起已在Nature Communications，Nano Energy，Advanced Energy Materials，Advanced Functional Materials，Biomaterials等期刊上相繼發表多篇摩擦納米發電技術和細胞打印技術的學術論文，如摩擦電微等離子體、3D打印、水處理以及3D打印多能干細胞等。該工作致謝國家科學重大專項、國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104150

論文引用格式：

Hengning Huo^#, Fan Liu^#, Yixue Luo, Qian Gu, Yuan Liu, Zhaozheng Wang, Ruoyu Chen, Linhong Ji, Yijia Lu*, Rui Yao*, Jia Cheng*.?Triboelectric nanogenerators for electro-assisted cell printing. Nano Energy, 2019, 104150.?(Online available)

（作者排序：霍恒寧^#、劉帆^#、羅依雪、顧謙、劉源、王昭政，陳若瑜，季林紅，路益嘉*，姚睿*，程嘉*）

【注】^#共同第一作者；*共同通訊作者

本文由作者供稿。

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