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  個性化按需診斷和治療的新興領(lǐng)域要求相應(yīng)電子系統(tǒng)具有生物相容性，機(jī)械可變形性和自我維持性。通過可持續(xù)途徑有效轉(zhuǎn)化微弱的環(huán)境能量為支持相關(guān)應(yīng)用中的電子設(shè)備和傳感器的運(yùn)行提供了可行的供電方案。摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）依靠摩擦起電效應(yīng)和靜電感應(yīng)效應(yīng)的協(xié)同作用，可以有效地收集機(jī)械能，為電子設(shè)備和傳感器供電。由生物相容性材料制成的有效摩擦電裝置的探索已引起人們越來越多的興趣。

  聚乙烯醇（PVA）具有水溶性和生物相容性，是生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用最廣泛的聚合物之一。純PVA由于其親水性，生物降解性和生物相容性，最近已被用作TENG中的接觸層。然而，純PVA具有相對有限的功能和較高的加工成本。同時，最近的報道結(jié)果表明，添加少量分子（包括淀粉，殼聚糖等）可以對所形成的PVA共混物的機(jī)械性能和生物降解性進(jìn)行多方面的調(diào)節(jié)，從而改善性能并顯著降低成本。然而，關(guān)于PVA共混物的分子/離子工程對其摩擦電性能影響的基本理解尚待揭示。此類知識的欠缺阻礙了采用生物相容性材料構(gòu)造的功能更強(qiáng)大的摩擦電裝置的合理設(shè)計和整體工程。

  美國普渡大學(xué)武文倬教授和阿克倫大學(xué)朱家華教授團(tuán)隊對通過系統(tǒng)的材料工程和PVA共混物不同結(jié)構(gòu)水平的表征，深入理解了分子/離子填料對PVA共混物的摩擦電性能的影響。選擇三種易獲得的填充劑，即明膠，鹽酸（HCl）/氫氧化鈉（NaOH）和氯化鉀（KCl）/氯化鈉（NaCl），分別研究分子，pH值和離子等因素的影響。更重要的是，它們豐富的官能團(tuán)/離子可以與PVA分子形成氫鍵或絡(luò)合，從而誘發(fā)界面極化和離子極化。因此通過增強(qiáng)或調(diào)控PVA共混物中極化基團(tuán)的遷移，設(shè)計與TENG輸出直接相關(guān)的介電常數(shù)。使用具有價格低的，易于使用的填料進(jìn)行分子/離子工程的已證明策略可調(diào)節(jié)PVA材料的能量收集性能。經(jīng)過優(yōu)化的PVA-明膠共混材料顯示出穩(wěn)定而強(qiáng)勁的電子輸出性能，以及對諸如人脈搏之類的機(jī)械變形的低檢測極限。憑借靈活性和生物相容性等優(yōu)勢，基于PVA混合物的摩擦發(fā)電設(shè)備顯示出具有成本效益的人體健康監(jiān)測潛力，并為設(shè)計未來的生物相容性TENG提供了新的策略。

圖1：透明的PVA-明膠薄膜；PVA-明膠制備的TENG器件測量人體脈搏的30 s實時電流輸出，以及其中一個周期的放大展示。

  以上相關(guān)成果發(fā)表在Advanced Materials (Advanced Materials. 2020, 202002878)上。論文的共同第一作者為普渡大學(xué)博士生王若星和阿克倫大學(xué)穆立文博士，共同通訊作者為普渡大學(xué)武文倬教授和阿克倫大學(xué)朱家華教授。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202002878