摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator，TENG）最早由王中林院士提出，TENG器件通过两个摩擦电层相互作用产生的摩擦起电和静电感应现象的耦合效应，可以将机械能转化为电能来收集微小的机械能。目前TENG作为前端柔性传感器，被广泛运用于微小信号检测领域，包括人体运动检测、心脏细胞生物传感和单个细菌中鞭毛运动的检测。然而，用于大规模小动物模型的生物混合TENG系统尚未实现。
近日，中山大学林旭东课题组开发了一种新型的分层结构生物混合摩擦纳米发电机（HB-TENG）系统，该系统集成了微流体室和摩擦电层，用于对自由移动的秀丽隐杆线虫进行大规模、实时和无标记的行为学评估。这种生物混合的HB-TENG系统首次实现了将秀丽隐杆线虫在爬行过程中引起的机械变形高效转导为电信号，结合自制的多通道记录系统或商用示波器，这些电信号被进一步记录并以高通量和高灵敏度的方式反映动物生成的信息丰富的生物信息。该系统能够在给药期间记录数百个整体生物的电输出。通过信息分析，HB-TENG系统能够预测化合物的特性和功效从而揭示不同化合物的功能。TENG的高度敏感特性以及高通量，可扩展在各种生物医学和生物领域的应用，尤其是推进药物研发的速度。相关研究成果以“Worm Generator: A System for High-Throughput in Vivo Screening”为题发表在国际知名学术期刊Nano Letters上。
图1 HB-TENG示意图以及在秀丽隐杆线虫模型上进行大规模高通量药物筛选
TENG的工作原理是两种不同的材料相互接触，由于原子间距靠近，部分核外电子轨道被共用，而使得电子在两个原子间发生转移。因此，研究人员设计并制造了聚二甲基硅氧烷（PDMS）层和铜芯之间的微小间隙。通过对铜网高温加热氧化形成CuO牺牲层，再利用浓盐酸去除氧化层，从而在PDMS包裹和铜芯之间形成微小间隙并且在铜芯表面形成微/纳米级拓扑结构，以此增加两个摩擦层的接触面积，并实现更高的TENG输出信号和更好的系统检测灵敏度。为了确保器件的高检测效率，研究人员探究了在不同加热时间下形成的微小间隙大小（图2d-f），最终确定设计制造的TENG薄膜的两个摩擦层间距约为3 μm（图2g）。为了感知动物行为引起的微尺度变形，研究人员通过微柱阵列微流控层的设计对动物运动进行转化。具体来说，微纳米柱将秀丽隐杆线虫的水平运动转化为TENG上的PDMS层的摩擦变形，这种变形将诱导两个摩擦电层之间接触分离从而产生电输出。微柱阵列中每个微柱的直径约为50 μm，柱高为150 μm，柱间距为80 μm。线虫爬行和摆动所产生的柱状变形，拖动了TENG上与微柱阵列贴合的铜芯外部薄PDMS膜层，使两个电层之间的微小间隙接触和分离，从而将物理运动转化为电输出信号。最后，研究人员将TENG和微柱微流控结构相结合，最终成功制备了HB-TENG。
图2 HB-TENG器件的表征
与传统TENG系统检测以毫米/厘米为单位的人体运动变形不同，线虫在运动中产生的微结构的偏转仅以微米为单位。研究人员对器件进行了各种模拟和实验测试以全面评估TENG系统作为监测自由运动动物的这种微运动的体内平台的效果。首先，通过三维有限元分析研究了HB-TENG系统微柱结构和摩擦电层的力学变形，当线虫以正弦方式通过微流体室时，线虫身体会挤压弯曲微柱并引起偏转（图3a）。在机械模拟中，弯曲力被简化为水平力，范围从几微牛顿到几十毫牛顿，接近新近报道的实验水平。当水平力作用在特定柱子上时，它会引起柔性PDMS层上部的垂直反射（图3b-3d）。研究人员通过改变垂直反射作为作用水平力的函数改变水平力来调整上层PDMS层的最大位移（图3b-3c）。值得注意的是，即使水平力小于200 μN，这种垂直变形也很容易从横截面平面角度引起铜芯表面和PDMS包裹层的接触和摩擦（图3d）。两个摩擦层的纳米结构表面和微柱阵列的设计对于HB-TENG系统在微小物理刺激检测中的输出性能至关重要。为了比较不同设计的TENG的电输出，使用力范围为10 mN至100 mN的直线电机或压痕力范围为200 μN至800 μN的纳米压痕器来划动TENG的表面（图3f）。如图3g所示，当施加5 mN的力时，不带微柱的TENG的最大电输出约为100 mV，与非微柱器件相比，HB-TENG系统显示出近2倍的能量转换增强，使这种分层结构的生物混合摩擦电纳米发电机阵列具有高灵敏度。此外，如果没有铜网表面的纳米结构，TENG的输出也将大大降低（图3h-j）。
为了进一步测试HB-TENG系统的灵敏度，使用纳米压痕仪将微牛顿级的力施加到HB-TENG平台中的单个微柱上。即使在大约200 μN 的极小力作用下，器件也实现了25.0 ± 02.200 mV电势，这表明HB-TENG 对微小变形/力具有良好的灵敏度（图3k）。当秀丽线虫加入HB-TENG系统中，与没有动物在系统内所测得的对照组信号相比，可以清楚地检测到具有不同幅度和不规则极性的电势的脉冲输出（图3l）。此外，电输出可以很容易地通过系统中的化学刺激进行调制，并同时有力地增加了电输出的潜在幅度和频率。总之，这些结果表明所研究的HB-TENG系统可以应用于微小变形的检测，适用于秀丽隐杆线虫的行为评估。
图3 HB-TENG器件的物理性能
研究人员随机选择了浓度为100 μM的多种化合物并用HB-TENG系统进行筛选。为了进一步剖析秀丽隐杆线虫对药物治疗的反应行为活动，从振幅和频率方面分析了HB-TENG系统记录的原始电信号（图4c-d）。例如，阿米替林是血清素和去甲肾上腺素神经递质的再摄取阻断剂，临床上用作三环类抗抑郁药，与其他化合物相比，诱导的信号幅度最高；黄藤素能够减缓线虫的行为活动从而导致振幅显着降低；氯氮平是抗精神病药之一，由图可见显着增加了电尖峰的频率。此外，实验人员还研究了信号包络和快速傅里叶变换（FFT）模式在显示出某些药物输出信号的一些特定的显著特征，并为每一种药物提供了相应的特定指纹。
为了进一步提取化合物信息丰富的生物指纹之间的内在一致性，研究人员采用无监督分类方法定义药物的功能簇。对于每种药物，收集了来自20次独立药物测试的指纹，包括信号包络和FFT模式，并形成了一个多类型数据集。然后，使用一种结合多个高斯内核的方法来学习37种药物数据集中每对指纹之间的相似性度量，并进一步地实现分层聚类。
图4 使用HB-TENG系统记录药物影响的秀丽隐杆线虫的电信号，并对药理学信号结果进行评估
在本研究中，聚类分析在无监督下鉴定了八个簇，揭示了具有相关指纹的化合物通常具有共同的治疗适应症（图5a）。相似性网络中识别出的聚类彼此相距相对较远（图5b）。此外，如相似性网络所示，簇内连接的紧密性很好地表明，每个单独的指纹簇中对于本簇内药物存在实质性的一致性。例如，表儿茶素，芹菜素，柚皮素和白藜芦醇具有高度相似的化学结构，而且这些化合物以前都被报道在体外/体内具有抗氧化特性，在此次测试中，他们都聚集在第2组中（图5c）。值得注意的是，一些结构相似的化合物通过其识别的指纹成功地进行了区分。例如，将苦参碱，槐定碱和氧化苦参碱分别分为第7、5和2组（图5d）。尽管这些生物碱具有相似的化学结构但空间配位不同。有趣的是，水飞蓟宾和黄芩素这两种黄酮类化合物已被用于治疗代谢综合征和肝脏相关疾病的多种方法，与其他化合物相比显示出不同的指纹图谱，并在研究中归入第4组（图5e）。然而，在第8组中鉴定出另一种异喹啉生物碱帕马汀，也广泛用于治疗代谢综合征和肝脏相关疾病（图5f）。但据报道，帕马汀的药代动力学特征比水飞蓟宾和黄芩苷更复杂，且帕马汀在治疗中枢神经系统（CNS）疾病上具有更广泛的临床应用。综上所述，这些结果表明，该HB-TENG阵列系统可用于具有不同治疗功能的药物的高通量体内筛选。
论文第一作者为中山大学研究生杨安琪，论文通讯作者为中山大学林旭东副教授。中山大学生物医学工程学院为论文第一完成单位，该研究得到国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市科技创新委员会深圳市高等院校稳定支持计划以及上海市超限制造项目的资助支持。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c04456
《微流控初创公司调研》
《基于摩擦电的能量收集和传感（TENG）-2020版》
