專利名稱：基于心肌細(xì)胞的氧化鋅納米線發(fā)電機(jī)及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米發(fā)電機(jī)領(lǐng)域，具體涉及一種采用心肌細(xì)胞作為驅(qū)動(dòng)源進(jìn)行發(fā)電的納米發(fā)電機(jī)以及該納米發(fā)電機(jī)的一種器件結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
納米壓電材料，如GaN和ZnO等，在納米發(fā)電機(jī)和壓電電子學(xué)器件領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。氧化鋅納米線是目前國際上研究最多的壓電材料。氧化鋅納米線中的鋅正離子和氧負(fù)離子以正四面體結(jié)構(gòu)對(duì)準(zhǔn)，在無外力作用下， 鋅離子的正電荷中心和氧離子的負(fù)電荷中心重合，偶極矩為零。在外力作用下，鋅離子和氧離子偏離原來的位置，正電荷中心和負(fù)電荷中心不再重合，偶極矩不為零，如果沿著納米線的C軸方向施以拉力，偶極矩為正，反之，為負(fù)，在宏觀上，所有偶極矩疊加起來，沿C軸方向形成宏觀電場(chǎng)，納米線的兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。利用這一原理，基于氧化鋅納米線的第一個(gè)直流發(fā)電機(jī)于2006年誕生，相關(guān)研究成果刊登在美國Science雜志上。(Zhong Lin Wang and Jinhui Song, Piezoelectronic Nanogenerators Based on Zinc Oxide Nanowire Arrays. Science, Vol. 312,2006)隨后，于 2008 年氧化鋒納米線交流發(fā)電機(jī)誕生° (Runsen Yang and Yong Qin et al. ,Power generation with laterally packaged piezoelectric nanowires. ΝΝΑΝ0, DOI 10. 1038/NNAN0. 2008. 314)利用集成化的方法，納米發(fā)電機(jī)的輸出電壓正在被不斷提高，目前文獻(xiàn)中報(bào)到的最大輸出電壓可以達(dá)到10V,可以用來驅(qū)動(dòng)一個(gè)簡單的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。(Youfan Hu and Yan Zhang et al., Self-Powered System With Wireless Data Transmission. Nano letters, DOI 10.1021/ nl201505c,2011)和傳統(tǒng)的壓電材料PZT相比，氧化鋅材料具有以下優(yōu)勢(shì)I，氧化鋅納米線可以承受較大的形變，這樣可以提高納米發(fā)電機(jī)工作的穩(wěn)定性和增大輸出電壓。2，氧化鋅納米線可以用溶液分解法在塑料等柔軟襯底上生長，這意味著納米發(fā)電機(jī)可以附著在柔軟的基底上進(jìn)行發(fā)電，如人體的皮膚等。3，氧化鋅材料具有良好的生物兼容性，毒性小。由于上述優(yōu)點(diǎn)，基于氧化鋅納米線的發(fā)電裝置在微納發(fā)電領(lǐng)域中具有很廣闊的應(yīng)用前景，并且在醫(yī)學(xué)診斷和治療中也具有巨大的應(yīng)用潛力。目前相關(guān)文獻(xiàn)中報(bào)道的納米發(fā)電機(jī)有兩個(gè)不足1，納米發(fā)電機(jī)的動(dòng)力源來自外界，如超聲波，輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)，老鼠的跑動(dòng)和人類脈搏的跳動(dòng)等，這些宏觀層面的外力不可能和納米層面的器件集成，使納米發(fā)電機(jī)無法單獨(dú)存在，必須依附在動(dòng)力源上。2，由于納米發(fā)電機(jī)所利用的外力并不是持續(xù)存在的，而是時(shí)斷時(shí)續(xù)的，這使納米發(fā)電機(jī)的輸出變得不穩(wěn)定。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提出利用生物組織(比如心肌細(xì)胞)來驅(qū)動(dòng)納米發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。心肌細(xì)胞等生物組織具有興奮伸縮功能，通過這一伸縮過程來給氧化鋅納米線提供外力，驅(qū)動(dòng)納米發(fā)電機(jī)工作。本發(fā)明納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，具體包括一襯底，在襯底上設(shè)有溝槽，在溝槽的開口處設(shè)有絕緣膠帶，在柔軟的絕緣膠帶上面等間距的地方淀積氧化鋅種子層，然后在種子層的一側(cè)和上方淀積金屬阻擋層，在金屬阻擋層的另一側(cè)淀積具有導(dǎo)電金屬材料層，氧化鋅納米線橫向搭載在氧化鋅種子層上，所述溝槽中設(shè)有單個(gè)或多個(gè)心肌細(xì)胞。該納米發(fā)電機(jī)的基本工作原理1，壓電勢(shì)的大小理論研究表明，壓電勢(shì)的大小與施加外力所導(dǎo)致的納米線的形變大小成正比，與納米線的長度和直徑比的立方成反比。據(jù)估算，一個(gè)直徑50nm，長度600nm的氧化鋅納米線在外力作用下,產(chǎn)生的壓電勢(shì)可以達(dá)到O. 3V。(Yifan Gao and Zhong Lin Wang et al,Electrostatic Potential in a Bent Piezoelectric Nanowire. The Fundamental Theory of Nanogenerator and Nanopiezotronics. Nano letters,DOI 10. 1021/nl071310j，2007)2，壓電勢(shì)的分布在外力作用下，氧化鋅納米線的壓電勢(shì)分布與外力的施加方向密切相關(guān)。當(dāng)外力為側(cè)向應(yīng)力，納米線的兩側(cè)分別處于拉伸和壓縮狀態(tài)，拉伸一側(cè)壓電勢(shì)為正，壓縮一側(cè)壓電勢(shì)為負(fù)，納米線根部的壓電勢(shì)方向在拉伸一側(cè)為負(fù)，壓縮一側(cè)為正。當(dāng)沿著納米線的軸向施加外力，納米線兩側(cè)都是處于拉伸或者壓縮狀態(tài)，在拉伸狀態(tài)下，壓電勢(shì)沿著應(yīng)力方向從負(fù)到正均勻增加，在壓縮狀態(tài)下，壓電勢(shì)壓著應(yīng)力方向從正到負(fù)均勻減少。3，本專利所提出的納米發(fā)電機(jī)在外界應(yīng)力作用下所產(chǎn)生的形變是單一的，這是因?yàn)榧{米線的直徑(幾十納米到300納米)相對(duì)于柔軟絕緣膠帶的厚度(微米尺度，如 Kapton500HN, 120微米)是非常小的，所以納米線的形變和所依附的KAPTON襯底表面的形變是一致的。本發(fā)明還提出了這種器件單個(gè)發(fā)電單元的實(shí)現(xiàn)方法，涉及溝槽的刻蝕，納米線的橫向生長和心肌細(xì)胞的引入。該發(fā)電機(jī)的基本實(shí)現(xiàn)步驟1，制備溝槽選擇合適的襯底，如Si/Si02、Si3N4和石英玻璃等。采用相應(yīng)的刻蝕方法，如濕法刻蝕、干法刻蝕等，在襯底上刻蝕出與所選用心肌細(xì)胞尺寸匹配的溝槽；2，固定柔軟的絕緣膠帶采用淀積金屬的方法，將柔軟的絕緣膠帶如KAPTON等固定在溝槽的上方；3，淀積氧化鋅種子層和生長阻擋層在柔軟的絕緣膠帶上面等間距的地方淀積氧化鋅種子層，然后在種子層的一側(cè)和上方淀積納米線生長的金屬阻擋層，如鉻、鎳等；4，橫向生長氧化鋅納米線采用溶液熱分解法或化學(xué)氣相沉積法生長氧化鋅納米線，氧化鋅納米線橫向設(shè)在兩個(gè)相鄰的金屬阻擋層之間；5，淀積金屬在有金屬阻擋層的一側(cè)淀積具有良好導(dǎo)電性的金屬材料(如金等)， 以確保納米線和金屬電極之間形成良好的電學(xué)接觸；6，心肌細(xì)胞的培養(yǎng)與引入選擇合適的心肌細(xì)胞種類，如人心肌細(xì)胞，鼠類心肌細(xì)胞等。并針對(duì)所選用的心肌細(xì)胞種類，配置培養(yǎng)液，然后將器件置入營養(yǎng)液中，營養(yǎng)液將會(huì)滲入到溝槽當(dāng)中，最終心肌細(xì)胞會(huì)在溝槽中分裂形成。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與技術(shù)效果本專利提出的基于單個(gè)或多個(gè)心肌細(xì)胞的納米發(fā)電機(jī)克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。首3/4頁
先單個(gè)或多個(gè)心肌細(xì)胞在微米尺度內(nèi)，和納米發(fā)電機(jī)的尺寸匹配，便于和納米發(fā)電機(jī)集成為一個(gè)獨(dú)立的供電器件，使納米發(fā)電機(jī)不再需要依附在外部動(dòng)力源上。其次，心肌細(xì)胞只要不死亡，就可以持續(xù)而穩(wěn)定的震動(dòng)，納米發(fā)電機(jī)的輸出因此就可以持續(xù)而穩(wěn)定。綜上所述，基于單個(gè)或多個(gè)心肌細(xì)胞的納米發(fā)電機(jī)克服了現(xiàn)有納米發(fā)電機(jī)對(duì)外部動(dòng)力源的依附和輸出不穩(wěn)定的問題，使納米發(fā)電機(jī)隨時(shí)隨地都可以穩(wěn)定工作，該種微型的發(fā)電機(jī)可以集成在人體或動(dòng)物心臟，發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的輸出可以用來驅(qū)動(dòng)醫(yī)療診斷器或者治療器工作。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于采用心肌細(xì)胞的伸縮運(yùn)動(dòng)作為驅(qū)動(dòng)納米發(fā)電機(jī)工作的動(dòng)力，這樣就可以不需人為的外加驅(qū)動(dòng)力，只要讓心肌細(xì)胞保持生命，就可以使納米發(fā)電機(jī)持續(xù)工作。要讓心肌細(xì)胞保持生命，只要讓它處于合適的外界環(huán)境就可以，比如我們可以將密封好的器件置于培養(yǎng)液中，甚至置于合適的體內(nèi)環(huán)境，就可以讓心肌細(xì)胞持續(xù)伸縮，帶動(dòng)納米發(fā)電機(jī)持續(xù)工作。


附圖I是本發(fā)明器件的俯視圖；附圖2是本發(fā)明器件的截面剖圖；圖中，I-氧化鋅納米線；2_金屬阻擋層；3_氧化鋅種子層；4_柔軟的絕緣膠帶；
5-導(dǎo)電金屬；6_心機(jī)細(xì)胞不意圖；7-溝槽；8_襯底。
具體實(shí)施例方式I.制備溝槽在硅襯底上旋涂一層光刻膠，然后經(jīng)曝光和顯影，在硅襯底上定義出溝槽的圖形，襯底的非圖形區(qū)域被光刻膠保護(hù)，最后采用干法刻蝕的方法，進(jìn)行溝槽的刻蝕，刻蝕的深度與心肌細(xì)胞的大小應(yīng)匹配，溝槽的深度應(yīng)該在15微米到20微米之間，寬度和長度由需要的心肌細(xì)胞的個(gè)數(shù)來決定，而心肌細(xì)胞的數(shù)目由所需要的發(fā)電裝置的輸出功
率決定。2.固定KAPTON膠帶選取合適尺寸的KAPTON膠帶，置于硅襯底上，KAPTON膠帶的長度要大于溝槽的長度，寬度應(yīng)略小于溝槽的寬度，露出縫隙，作為心肌細(xì)胞培養(yǎng)液的注入通道。(見附圖1，稍稍做了改動(dòng))然后通過在KAPTON膠帶的兩端淀積金，將KAPTON膠帶固定。3.清洗襯底將襯底依次放入丙酮，酒精，異丙醇和去離子水中，分別超聲10分鐘，然后用氬氣槍吹干，放入烘箱中，加熱到200度，以徹底去除襯底表面的水蒸氣。4.淀積氧化鋅種子層和縱向生長阻擋層在襯底上旋涂一層光刻膠，然后經(jīng)光刻和顯影，在KAPTON膠帶上定義出等間距的帶狀區(qū)域，隨后用CVD的方法依次淀積200nm的氧化鋅種子層和5nm的鉻阻擋層，鉻阻擋層在氧化鋅種子層的上方。最后通過剝離工藝，去除其它區(qū)域的種子層和阻擋層，只保留帶狀區(qū)域的種子層和阻擋層。5.淀積側(cè)向生長阻擋層在襯底上旋涂一層光刻膠，然后通過套刻和顯影，在每個(gè)氧化鋅種子層的一層定義出條狀區(qū)域，隨后用CVD的方法淀積5nm的鉻阻擋層，最后通過剝離工藝，去除其他區(qū)域的鉻阻擋層，只保留條狀區(qū)域的鉻阻擋層。6.橫向生長氧化鋅納米線用O. 025mol/L的HMTA和O. 025mol/L的Zn(NO3)2配
5置營養(yǎng)液，接著將淀積好氧化鋅種子層的器件放入溶液當(dāng)中，并將溶液置于烘箱當(dāng)中，加熱到90度，保持24小時(shí)，以進(jìn)行氧化鋅納米線的生長。本發(fā)明通過更新營養(yǎng)液和增加生長時(shí)間的方法來增加納米線的長度。7.淀積金在襯底上旋涂一層光刻膠，然后經(jīng)第二次套刻和顯影，在有鉻金屬的一側(cè)，定義出需要淀積金的條狀區(qū)域，用磁控濺射的方法淀積200nm的金，最后通過剝離工藝，去除其它區(qū)域的金，只保留條狀區(qū)域的金，保證氧化鋅納米線和鉻金屬形成可靠的電學(xué)接觸。8.心肌細(xì)胞的培養(yǎng)與引入配制培養(yǎng)液，放入大鼠的心肌組織碎片，在適宜條件下進(jìn)行心肌細(xì)胞的分裂生長。在生長的過程中，把生長好氧化鋅納米線的硅片，放入培養(yǎng)液中，這樣培養(yǎng)液會(huì)滲進(jìn)溝槽當(dāng)中，經(jīng)過合適的培養(yǎng)時(shí)間，溝槽內(nèi)分裂形成一定數(shù)量的直徑在 15微米左右的心肌細(xì)胞。9.封裝，將整個(gè)器件進(jìn)行密封，應(yīng)該留出溝槽與外界的借口，用來進(jìn)行培養(yǎng)液的循環(huán)更新。
權(quán)利要求
1.一種納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括一襯底，在襯底上設(shè)有溝槽，在溝槽的開口處固定有絕緣膠帶，在絕緣膠帶上面等間距淀積若干個(gè)氧化鋅種子層，氧化鋅種子層的一側(cè)和上方淀積金屬阻擋層，氧化鋅納米線橫向設(shè)在兩個(gè)相鄰的金屬阻擋層之間，所述溝槽中設(shè)有單個(gè)或多個(gè)心肌細(xì)胞。
2.如權(quán)利要求I所述的納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述絕緣膠帶為KAPTON膠帶。
3.如權(quán)利要求I所述的納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其特征在于，通過在絕緣膠帶的兩端淀積金， 將絕緣膠帶固定在襯底上。
4.如權(quán)利要求I所述的納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其特征在于，在金屬阻擋層的另一側(cè)淀積具有導(dǎo)電金屬材料層。
5.如權(quán)利要求I所述的發(fā)電機(jī)的制備方法，其步驟包括1)制備溝槽在襯底上刻蝕出與所選用心肌細(xì)胞尺寸匹配的溝槽；2)固定絕緣膠帶采用淀積金屬的方法，將絕緣膠帶固定在溝槽的上方；3)淀積氧化鋅種子層和金屬阻擋層在絕緣膠帶上面等間距淀積氧化鋅種子層，然后在氧化鋅種子層的一側(cè)和上方淀積金屬阻擋層；4)橫向生長氧化鋅納米線采用溶液熱分解法或化學(xué)氣相沉積法生長氧化鋅納米線， 氧化鋅納米線橫向設(shè)在兩個(gè)相鄰的金屬阻擋層之間；5)淀積金屬在有阻擋層金屬的一側(cè)淀積導(dǎo)電性的金屬材料；6)心肌細(xì)胞的培養(yǎng)與引入針對(duì)所選用的心肌細(xì)胞種類，配置培養(yǎng)液，然后將器件置入營養(yǎng)液中，營養(yǎng)液將會(huì)滲入到溝槽當(dāng)中，最終心肌細(xì)胞會(huì)在溝槽中分裂形成。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，溝槽的深度范圍在15微米到20微米之間。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述金屬阻擋層為鉻或鎳。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于心肌細(xì)胞的氧化鋅納米線的發(fā)電機(jī)及制備方法，該發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)包括一襯底，在襯底上設(shè)有溝槽，在溝槽的開口處固定有絕緣膠帶，在絕緣膠帶上面等間距淀積若干個(gè)氧化鋅種子層，氧化鋅種子層的一側(cè)和上方淀積金屬阻擋層，氧化鋅納米線橫向設(shè)在兩個(gè)相鄰的金屬阻擋層之間，所述溝槽中設(shè)有單個(gè)或多個(gè)心肌細(xì)胞。本發(fā)明利用生物組織(比如心肌細(xì)胞)來驅(qū)動(dòng)納米發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。由于心肌細(xì)胞等生物組織具有興奮伸縮功能，通過這一伸縮過程來給氧化鋅納米線提供外力，驅(qū)動(dòng)納米發(fā)電機(jī)工作。
文檔編號(hào)B82Y15/00GK102593347SQ201210063670
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月12日
發(fā)明者傅云義, 尹金澤, 張興, 趙華波, 魏子鈞, 魏芹芹, 黃如 申請(qǐng)人:北京大學(xué)