清华大学合作团队Nano Energy：摩擦纳米发电机，让细胞打印更加简捷安全！

材料人

在最新的《纳米能源》(Nano Energy)上，清华大学机械系程嘉副研究员与姚睿特聘研究员（教研系列副教授）、路益嘉博士合作，发文报道了一种将摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator，TENG）应用于细胞打印领域的新技术。基于摩擦纳米发电机产生的高电压和低电流特性，该研究提供了一种新型的“摩擦电细胞打印技术”，与现有方式相比该技术设备结构简单、操作简捷，可稳定获取大量包含着活性细胞的水凝胶微结构，细胞存活率达92%以上。

图1 摩擦电细胞打印技术与细胞成活率

模块化组织工程（Modular tissue engineering）是一种构建具有特定结构特征的体外微组织，并利用模块化单元自下而上设计和组装形成生物组织的技术，可以制造结构复杂的仿生人工组织，应用于细胞治疗、再生医学、人造器官、药物筛选等领域。实现这一过程的第一步，是制造用于搭建复杂组织的“积木”，而包载着活性细胞的水凝胶微球具有良好的机械性能和可组装性，为细胞的生命活动提供仿生的三维细胞微环境，是最常用的研究对象之一。

图2 摩擦电细胞打印技术产生的细胞微球

高压静电力驱动的细胞打印是产生细胞微球结构体是最常见的方式之一。在高压电场所产生的静电力作用下，喷头处的液体克服表面张力和粘性力，分散为微米级别的小液滴并喷头脱离，落入下方收集装置中形成均匀包裹着细胞的水凝胶微球。这种方法可以产生相对单分散、细胞活性高、形状和尺寸可控的微球。另外，通过调节电场强度，例如改变输入电压或电极距离，可以方便地调节产生的微球直径以及渗透性。

图3 高压静电力驱动细胞打印的原理

以往研究多采用商业电源产生直流或脉冲高压输出，提供细胞打印所需的静电力，系统相对复杂和昂贵。考虑到摩擦纳米发电机在高压静电场相关的应用中具有独特优势——高电压、低电流（意味着对细胞活性的低损伤），研究人员设想利用摩擦纳米发电机作为一种新型的高压电源可以使细胞打印技术更为简捷、安全。

摩擦纳米发电机是一种基于摩擦起电和静电感应原理，可将各种形式的机械能转换为电能的设备。与电磁发电机相比，具有结构简单、价格低廉、柔软、适用于低频等优点，因此常用于能量收集、自供能传感器等。摩擦纳米发电机具有输出电压高，输出电流小的特点，在为高压容性负载供能时具有独特优势，在高电压应用领域的研究方兴未艾。

图4 摩擦纳米发电机的原理

由此，研究人员开发了一种由独立式转盘TENG（FRD-TENG）和电压倍增整流电路（VMRC）驱动的细胞打印装置。摩擦纳米发电机和倍压整流电路可提供高达5-8 kV的直流高压输出，可稳定产生直径可控、形状规则、适合细胞培养的水凝胶微球。

图5 摩擦电细胞打印装置

为评估打印过程对细胞活性等生物学性能的影响，研究人员分别采用两种不同的细胞：肝脏干细胞（HepaRG cells）和肿瘤细胞（Hela cells）进行了实验研究，结果显示，打印后两种细胞的存活率均超过92%。法拉第屏蔽盒测量结果显示，利用TENG打印的微球所带电量（34.40±4.48 pC）相对于商业电源（42.40±19.66 pC）更低、更稳定。这表明，摩擦电细胞打印技术可以有效且安全地应用于生物学和医学领域，并具有打印电敏感性细胞的潜力。

图6 微球携带电量测量示意图与电荷及电流

研究人员利用高速摄像机捕捉了摩擦电辅助打印产生的液滴下落过程，这个过程约需20ms，同时利用COMSOL软件对这一过程进行了仿真对照与机理分析，取得了较好的一致性。

图7 高速摄像机拍摄液滴下落过程

目前摩擦纳米发电机的应用仍面临一些共性问题：磨损以及温度和湿度等环境因素可能导致电学输出不稳定，这些问题需要在工程实践中不断进行优化。为使该技术能更好地应用于细胞打印等生物医学领域，研究人员对如何降低微球电量、优化电压波动、提高打印精度等一系列问题正在不断努力尝试。

图8 微球可用于细胞移植与药物控释

实验结果证明摩擦纳米发电技术可以安全有效地应用于细胞打印领域，是现有技术的有益补充，在无法使用传统电源的场景下具有技术竞争优势，同时佐证了摩擦纳米发电机在合适的场景下，可以直接作为一种简单有效的高压电源。这一技术的提出，为简单、高效、安全地实现细胞打印及其在生物印刷、生物制造、药物输送等领域的应用提供了一条全新的道路，诸如通过细胞微球的排列堆叠建造生物组织，最终获取人造器官，或是用于药物控释。该报道为生物医疗领域与摩擦发电技术的结合提供了新的可能，目前正在申请相关国内外专利。该团队研究人员自2018年9月起已在Nature Communications，Nano Energy，Advanced Energy Materials，Advanced Functional Materials，Biomaterials等期刊上相继发表多篇摩擦纳米发电技术和细胞打印技术的学术论文，如摩擦电微等离子体、3D打印、水处理以及3D打印多能干细胞等。该工作致谢国家科学重大专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104150

论文引用格式：

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：霍恒宁^#、刘帆^#、罗依雪、顾谦、刘源、王昭政，陈若瑜，季林红，路益嘉*，姚睿*，程嘉*）

【注】^#共同第一作者；*共同通讯作者

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