本发明涉及医疗可植入设备领域，具体地，涉及一种天然材料全可降解纳米发电机。
背景技术：
：近年来，新一代植入式医疗设备发展势头迅猛，相比于传统便携式医疗设备，它具有体积灵巧、使用方便和快捷等优点，从而引起人们广泛关注。现今它已被广泛应用于医学诊断和治疗领域。但同时植入式医疗设备在外型和尺寸、能耗、选材以及生物相容性和降解等方面面临着严峻的挑战。美国佐治亚理工学院王中林教授等发明了纳米发电机，该纳米发电机可利用在摩擦电势序列(triboelectricityseries)中位置不同的材料相互接触和/或摩擦时发生电子转移从而输出电能。而且纳米发电机具有体积小、质量轻等特点，非常适合于驱动植入式、便携式和小型自驱动式电子设备。目前已经有将纳米发电机应用于植入式医疗设备领域的相关报道，例如可以将纳米发电机作为成骨细胞增殖和分化刺激器、心脏起搏器和可降解植入式传感器等可降解医疗器件的供能来源。为了将纳米发电机制作成植入式医疗器件，需要综合考虑器件的大小和尺寸、器件本身的生物相容性和封装的安全性等问题，如果涉及到器件可降解性还需要考虑封装层和器件内部降解时间和安全性等问题。现今绝大多数植入式医疗设备在体内都是不可降解的，从体内清除的方法只能通过手术取出。这样就会使医疗费用增加同时更重要的是它会使患者再一次体验手术的痛苦。如果将植入式设备设计成能够通过新陈代谢自然降解和/或溶解后自然清除，将极大改善植入式设备使用者的生活质量，减少痛苦和手术花费。当今，能源短缺和环境污染等问题引起人们广泛而强烈的关注。探索和研究可再生资源和环境友好型材料，以缓解能源枯竭和环境危机，成为人类生存发展的重要课题之一。所以许多研究者逐渐将目光转移到基于可再生动植物资源、可生物降解、环境友好型天然高分子材料的研究上。天然高分子材料是一类没有经过人工合成，天然存在于动植物和微生物体内的大分子有机化合物。与传统的人工合成高分子材料相比，它具取之不尽和用之不竭等优势，因而成为人们研究的热点。现有技术中提出了一种在封装层上打孔，再通过磁性塞子堵住该孔的方案来控制医用植入设备的工作时间。这种方案基于控制体液透过封装层，一旦体液透过封装层就会影响和破坏内部发电机工作。所以磁性塞子实际上是控制发电机的工作时间，而设备在体内降解时间并不受控制。而且该方案需要设备完在结束治疗任务时，通过在体外施加强磁场，使磁性塞子被吸出，增加了设备降解的程序，因此具有一定的局限性。其次，现有技术中所使用的植入式纳米发电机设备的构成材料如聚酸酐、聚乳酸和聚己内酯等都是人工合成的高分子材料。它与天然高分子材料相比，需要经过原材料-催化合成-加工成型等生产步骤。首先，它不具有天然高分子原材料价格低廉、来源广泛、产量丰富、可再生等优势。而且需要加入各种催化剂通过聚合反应生成产物进行加工，这会增加生产成本和过程繁琐性。最后，现有技术中所使用的植入式纳米发电机设备为了提高发电机输出而采取的方法是用光刻蚀法或其他方法在聚合物层表面产生纳米级或微米级的表面粗糙度，工序复杂。技术实现要素：本发明的目的是提供一种由天然高分子材料制备的全可降解纳米发电机，该全可降解纳米发电机可以对植入设备在体内工作时间和降解时间起到调控的作用，同时可以提高发电机的输出性能。为了实现上述目的，本发明提供一种天然材料全可降解纳米发电机，该纳米发电机包括摩擦电发电机以及用于封装所述摩擦电发电机的封装结构，所述摩擦电发电机包括聚合物层；所述聚合物层和所述封装结构均由天然可降解材料构成；所述天然可降解材料为选自丝素蛋白、大豆蛋白、蛋清、纤维素、木质素、甲壳素、淀粉、米纸、聚羟基烷酸酯和葡甘聚糖中的一种或多种。优选地，所述天然可降解材料为米纸、蛋清、丝素蛋白、甲壳素和纤维素中的一种或多种。通过上述技术方案，可以得到一种全可降解纳米发电机，特别是能够得到一种适用于医用植入式的全可降解纳米发电机，它不但可以控制设备在生物体内的工作时间，也可以控制设备的降解时间。其次，该天然材料制备的全可降解纳米发电机可以为微小尺寸生物电子设备提供解决驱动问题的方案，且还有研究表明，在受损组织两侧施加微电压，能刺激损伤周围的细胞，有利于其活跃和增殖，进而促进新生组织生长。另外，制备纳米发电机所用的材料全部都是由天然高分子组成，它具有产量丰富、来源广泛和价格低廉等优势，最后，由于天然高分子材料膜表面自带纳米或微米级别的表面粗糙度，不需要另外进行表面处理即可提高发电机的输出性能。因此，本发明的全可降解天然高分子材料纳米发电机具有非常广阔的应用前景。本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。附图说明附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：图1是根据本发明的优选实施方式的天然可降解材料制备的全可降解纳米发电机的结构示例图。图2是根据本发明的优选实施方式的天然可降解材料制备的全可降解纳米发电机中的摩擦电发电机的结构示例图。附图标记说明1、封装结构2、摩擦电发电机21、第一电极层22、聚合物层23、第二电极层24、微结构具体实施方式以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”是指示图中的方向；“内”指朝向全可降解纳米发电机内部，“外”指朝向全可降解纳米发电机外部；“第一面”和“第二面”指立体结构中相对的两个面，具体指示图中上、下两个面。本发明中提到的“可降解”指能够被所植入部位的体液自然降解或者能够溶解于所植入部位的体液形成离子溶液或者粒子溶液，然后通过新陈代谢排出体外，而不会沉积在体内。本发明提供了一种天然材料全可降解纳米发电机，该纳米发电机包括摩擦电发电机以及用于封装所述摩擦电发电机的封装结构，所述摩擦电发电机包括聚合物层；所述聚合物层和所述封装结构均由天然可降解材料构成；所述天然可降解材料为选自丝素蛋白、大豆蛋白、蛋清、纤维素、木质素、甲壳素、淀粉、米纸、聚羟基烷酸酯和葡甘聚糖中的一种或多种。上述材料中，所述丝素蛋白是指从蚕丝纤维(包含丝素蛋白和丝胶蛋白)中提取的一种天然高分子纤维蛋白，其含量约占蚕丝的70-80％，含有18种氨基酸。具体地，所述丝素蛋白的制备方法可以为：首先将蚕丝浸入到碳酸钠溶液(例如可以为0.02mol/l的)中处理(处理温度为70-120℃，优选为100℃左右，处理时间为15-60分钟，优选为30分钟左右)，反应结束后用蒸馏水冲洗后干燥(例如通过冷冻干燥仪进行)；其次将干燥好的样品加入到氯化钙溶解体系中溶解后，再将溶液置于透析袋(例如可以为2-5kmwco，优选为3.5kmwco)中透析1天以上(优选为2-4天，更优选为2天左右)；最后将上述透析过的丝素蛋白溶液干燥(例如通过冷冻干燥仪进行)后得到丝素蛋白。根据本发明的一个优选的实施方式，所述天然可降解材料为米纸、蛋清、丝素蛋白、甲壳素和纤维素中的一种或多种。本发明的全可降解纳米发电机可植入人体内工作，植入部位可以是心脏、肺、肝脏等主要脏器表面；也可是皮下、肌肉表面和骨骼表面等特定组织部位；还可以是体内各种腔隙，当然并不限于植入式，也可以应用在体外或者其他环境中。全可降解纳米发电机的尺寸可根据植入部位不同进行改变，面积范围一般在2-100cm2(优选为2-50cm2)。另外，本发明的全可降解纳米发电机的形状和结构也可根据需求进行设计。在本发明的一个优选的实施方式中，如图1所示，该全可降解纳米发电机可包括封装结构1和摩擦电发电机2。作为所述摩擦电发电机2，优选地，如图2所示，所述摩擦电发电机2包括：第一电极层21，该第一电极层21的上表面与所述封装结构1的第一面的内表面相接触；聚合物层22，该聚合物层固定于所述第一电极层21的下表面；第二电极层23，该第二电极层23位于聚合物层的下方，该第二电极层23的下表面与所述封装结构1的第二面的内表面相接触。根据本发明，摩擦电发电机2可利用在摩擦电势序列中位置不同的两种材料相互摩擦以提供电输出。因图1中的摩擦电发电机2被用于植入式设备，因此，在本实施方式中构成摩擦电发电机2的各部件的材料均选用其安全性经过可靠验证的天然可降解材料。根据本发明，封装结构1用于封装摩擦电发电机2，其自然降解时间大于治疗时间。封装是实现全可降解纳米发电机的关键步骤，如果摩擦电发电机2未被密封封装，则被植入后体液会填充在用于摩擦发电的材料间，使其接触面上无法形成静电荷。根据本发明的一个优选的实施方式，所述封装结构1为丝素蛋白、甲壳素、纤维素和米纸中的一种或多种，更优选为丝素蛋白、甲壳素和纤维素中的一种。在本发明中，可以通过真空溅射法或蒸镀法在聚合物层22的上表面制备第一电极层21。第一电极层21的上表面(不与聚合物层22结合的表面)可与封装结构1(图2未示出)的第一面(即图1中封装结构1的上面)的内表面接触。第二电极层23的下表面可与封装结构1的第二面(即图1中封装结构1的下面)的内表面接触。聚合物层22和第二电极层23的构成材料位于摩擦电势序列中的不同位置，当其彼此接触时，可在接触面上产生静电荷。外界压力或者震动等可以使摩擦电发电机2发生形变，例如柔性的封装结构1变形时使摩擦电发电机2发生形变，聚合物层22和第二电极层23之间发生相对摩擦、接触和/或分离，随着聚合物层22和第二电极层23的距离和/或相对位置的变化，可在第一电极层21和第二电极层23中产生随之变化的感应电势差，以提供电输出。根据本发明的一个优选的实施方式，所述聚合物层为天然可降解材料制成的薄膜。优选地，所述聚合物层的厚度范围在10μm-500μm之间。根据本发明的一个优选的实施方式，所述封装结构由天然可降解材料制成的薄膜形成。优选地，用于形成所述封装结构的薄膜的厚度范围在10μm-500μm之间。根据本发明，所述聚合物层22和封装结构1均是柔性薄膜结构。根据本发明，所述天然可降解材料可以通过本领域常规的方法形成所述封装结构和所述聚合物层。具体可以为涂覆法或压膜法。作为所述封装结构的形成方法，具体地，涂覆法实施方式如下：首先将封装材料涂覆在摩擦电发电机2四周的缝隙开口处，以封闭缝隙并形成封闭结构，然后烘干所涂覆的材料，最后再将封装材料涂覆于该封闭结构的整个表面并烘干，以完成封装。压膜法实施方式如下：首先可做两块都大于摩擦电发电机2整体的薄膜，然后将这两块薄膜分别与摩擦电发电机2的上表面和下表面贴合并使发电机处于薄膜的中心位置，最后用压膜机将这两块薄膜的边沿压在一起使其密封，以完成封装。可以看出，摩擦电发电机2的上下两个面和与之接触的封装结构的表面之间可以是粘结的或者分离的。特别地，如无特殊说明，封装结构1和聚合物层22的可降解天然高分子薄膜结构所用的材料可相互替换。根据本发明的一个优选的实施方式，所述聚合物层的下表面具有微结构，所述微结构可以增大所述聚合物层与所述第二电极层的有效接触面积。本发明中，所述微结构为纳米或微米级别的表面粗糙度，具体是指相对于平整的膜表面，在膜的局部形成许多的突起状结构，可以通过观察聚合物膜的横断面结构来确认，例如可以用扫描电子显微镜观察，微结构的厚度指的是在膜表面形成的突起状微结构的平均相对高度。现有技术中针对聚合物层，常规使用如光刻蚀法(photolithography)和/或深反应离子刻蚀法(deepreactiveionetching)来增加其表面粗糙度，以提高摩擦电发电机的输出。而本发明中，由于天然高分子材料自身的特性，通过下述方法所制备出来的天然高分子聚合物膜层表面即具有微结构(例如图2中的微结构24)，使聚合物层22和第二电极层23的有效接触面积增大，从而提高摩擦电发电机2的输出。为了制备表面具有微结构24的聚合物层，所述聚合物层优选采用涂覆法制备。具体地，针对丝素蛋白薄膜，其制备方法可以为：首先，将丝素蛋白加入到六氟异丙醇溶液中，搅拌均匀形成透明溶液(例如，其中丝素蛋白的含量为3-10质量％，优选为6质量％)；其次，将上述透明溶液均匀涂布于玻璃扳上，再将玻璃板静置于通风橱中自然干燥后(例如可以为干燥4小时以上，优选为6-18小时，更优选为12小时)，制备得到丝素蛋白薄膜。针对纤维素薄膜，其制备方法可以为：将纤维素溶于氢氧化钠和尿素的溶液(例如，氢氧化钠、尿素和水的质量比为5-9：10-14：79-83，优选为7：12：81)中，搅拌均匀得到混合溶液(例如，其中纤维素的含量可以为3-6质量％，优选为4.5质量％左右)，并将该混合溶液涂布在玻璃板上，并将该玻璃板在硫酸和硫酸钠溶液(例如，硫酸的含量为5质量％，硫酸钠的含量为10质量％)中浸泡(例如可以为5分钟以上，优选为10-30分钟，更优选为15分钟左右)，取下纤维素薄膜并洗净，再将其固定在玻璃板上室温自然干燥。针对甲壳素薄膜，其制备方法可以为：首先，取一定量的甲壳素粉末加入到由氢氧化钠、尿素和水三者组成的混合溶液(氢氧化钠、尿素和水的质量比为9-13：2-6：83-87，优选为11：4：85)中，搅拌均匀形成透明溶液(甲壳素的含量为4-10质量％，优选为7质量％)。其次，取一定量上述溶液涂布在玻璃板上，再将玻璃板完全浸泡于无水乙醇中(1小时以上，优选为2个小时左右)。最后，将玻璃板上的甲壳素膜取下并用大量的水冲洗干净，然后将其固定在玻璃板上并置于室温中自然干燥得到甲壳素膜。所述米纸薄膜，可以为购自浙江省海宁糯米纸厂生产的药将军牌米纸薄膜(规格：6×8cm，厚度：100微米)。在本发明中，所述聚合物层优选为通过上述方法制备的薄膜结构。根据本发明，优选地，所述聚合物层22表面的微结构24的厚度范围在10nm-1μm之间。在本发明中，所述第一电极层和第二电极层均为可导电的可降解金属薄膜结构。根据本发明的一个优选的实施方式，所述可降解金属薄膜结构由含有镁、金、银、铜和不锈钢中的一种或多种的任意比例合金制成。根据本发明，所述第一电极层和第二电极层的厚度可以为本领域常规使用的各种厚度，优选地，所述第一电极层和第二电极层的厚度为10nm-100μm。根据本发明，所述第一电极层和第二电极层可以采用本领域常规使用的各种方法形成，具体地，所述第一电极层和第二电极层可以采用磁控溅射法、丝网印刷法或蒸镀法形成。在本发明的摩擦电发电机中，所述聚合物层与所述第二电极层之间的距离可以根据需要具体选择，例如可以为200μm-1.5mm，优选为500-1200μm。为了调控本发明的全可降解纳米发电机的工作时间和降解时间，可使用不同种类的可降解天然高分子材料制作封装结构，也可通过本领域技术人员所了解的任意手段进行材料的改性从而达到调控降解时间的目的。全可降解纳米发电机植入体内的降解时间分布范围在1天-2年。对部分材料进行降解测试，具体测试方法为：取一片大小为1.0×1.5cm的膜材料加入到一个适量大小带盖的密封瓶中，并向瓶中加入一定量的磷酸缓冲盐溶液(pbs)，确保盐溶液完全浸没膜材料，将密封瓶置于温度为37℃的恒温箱中。测得各材料的降解时间如表1所示。降解时间控制的具体原理和方案如下：首先，单一材料本身的降解时间是在一定范围内，并且呈现一定的分布，如米纸的降解时间一般在1分钟-1天以内，丝素蛋白降解时间在1个月左右，纤维素降解时间在2年左右。因此选用不同种类的材料可以一定程度上控制器件的工作和降解时间。其次，通过化学试剂对材料进行处理来改变材料的特性从而进一步调控降解时间。如丝素蛋白的降解时间一般在1个月左右。如果将丝素蛋白在无水乙醇溶液中充分浸泡(浸泡时间为30分钟以上)以后，其降解时间会延长到6个月左右；如果将丝素蛋白在无水甲醇中充分浸泡(浸泡时间为30分钟以上)以后，其降解时间会延长到1年左右。最后，如果对丝素蛋白在无水乙醇溶液中的浸泡时间做进一步精确控制，如1秒、5秒、30秒和10分钟，丝素蛋白的降解时间将会在31天到6个月之间。这样的话可以更丰富材料降解时间的选择。综合上述过程，就可以在相当长的时间跨度内比较精细的调控各组成部份的降解时间，从而控制整个器件的工作和降解性能。表1封装材料种类处理方法降解时间米纸无1天蛋清无15天丝素蛋白无31天丝素蛋白无水乙醇6个月甲壳素无9个月丝素蛋白无水甲醇1年纤维素无2年本领域技术人员可理解的是，该全可降解纳米发电机还可具有引出电路(图1未示出)，该引出电路可将摩擦电发电机2提供的电输出引出至被供电的对象。可采用本领域技术人员所了解的任意手段实现该引出电路。需要注意的是，如果需要将摩擦电发电机2的输出引出至全可降解纳米发电机外部，要确保全可降解纳米发电机的密封性，例如，可先将引出电路电连接至摩擦电发电机2的输出部件，再制备用于封装摩擦电发电机2的封装结构1，以实现更好的密封。实施例11)取一定量的甲壳素粉末加入到由氢氧化钠、尿素和水三者组成的混合溶液(氢氧化钠、尿素和水的质量比为11：4：85)中，搅拌均匀形成甲壳素含量为7质量％的透明溶液。然后，取一定量上述溶液涂布在玻璃板上，再将玻璃板完全浸没于无水乙醇中2个小时。最后，将玻璃板上的甲壳素膜取下并用大量的水冲洗干净，然后将其固定在玻璃板上并置于室温中自然干燥得到甲壳素薄膜。通过该方法制备的甲壳素薄膜厚度为300μm，通过扫描电子显微镜(su8020，日本hitachi(日立)公司，下同)观察确认该甲壳素薄膜表面具有厚度为180nm的微结构。2)用上述甲壳素薄膜作为聚合物层制备如图2所示的摩擦电发电机2，该摩擦电发电机2包括：第一电极层21；固定于所述第一电极层21的下表面的聚合物层；以及位于聚合物层的下方的第二电极层23。其中，第一电极层21和第二电极层23均为蒸镀法形成的镁电极，第一电极层21的厚度为200nm，第二电极层23的厚度为10μm，聚合物层与第二电极层之间的距离为900μm。3)将丝素蛋白加入到六氟异丙醇溶液中，搅拌均匀形成透明溶液(其中丝素蛋白的含量为6质量％)；其次，将上述透明溶液均匀涂布于玻璃扳上，再将玻璃板静置于通风橱中自然干燥12小时后，制备得到厚度为250μm的丝素蛋白薄膜。4)在上述摩擦电发电机2的外部通过压膜法形成上述丝素蛋白薄膜封装结构1，具体地，首先准备两块分别大于摩擦电发电机2的第一面和第二面的薄膜，并将这两块薄膜分别与摩擦电发电机2的上表面和下表面贴合，然后用压膜机将这两块薄膜的边沿压在一起使其密封，以完成封装。5)将制备好的该全可降解纳米发电机用机械马达进行体外输出测试实验。实验结果表明发电机的输出性能良好，电压输出值为-30/30v。实施例2按照实施例1的方法制备全可降解纳米发电机，不同的是，使用厚度为400μm的纤维素薄膜作为聚合物层。该纤维素薄膜的制备方法如下：将纤维素溶于氢氧化钠和尿素的溶液(氢氧化钠、尿素和水的质量比为7：12：81)中，搅拌均匀得到纤维素的含量为4.5质量％的混合溶液，并将该混合溶液涂布在玻璃板上，然后将该玻璃板在硫酸和硫酸钠的溶液(硫酸的含量为5质量％，硫酸钠的含量为10质量％)中浸泡15分钟左右，取下纤维素薄膜并用大量的水洗净，再将其固定在玻璃板上室温自然干燥。通过扫描电子显微镜观察确认该纤维素薄膜表面具有厚度为200nm的微结构。将制备好的全可降解纳米发电机用机械马达进行体外输出测试实验。实验结果表明发电机输出性能良好，电压输出值为-27/27v。对比例1按照实施例1的方法制备全可降解纳米发电机，不同的是，封装结构和聚合物层均为plga薄膜。将制备好的该全可降解纳米发电机用机械马达进行体外输出测试实验，其制备发电机的电压输出值为-16/16v。对比例2按照实施例1的方法制备全可降解纳米发电机，不同的是，封装结构均为plga薄膜，并且将作为聚合物层的plga薄膜通过反应离子刻蚀法处理，使其表面具有厚度为180nm的微结构。将制备好的该全可降解纳米发电机用机械马达进行体外输出测试实验，其制备的发电机的最大电压输出电压达到-30/30v。通过上述实施例和对比例的对比可知，由于天然材料表面具有天然的纳米微结构，其制备出的全可降解纳米发电机的输出电压与plga薄膜经处理以后制备的发电机的最大输出电压相当。天然材料成本低廉，获取容易，并且不需要特殊的表面处理过程，是制备全可降解纳米发电机的优良材料。以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。当前第1页12