基于羊毛角蛋白的生物可兼容无铅纳米压电发电装置及制备方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于羊毛角蛋白的生物可兼容无铅纳米压电发电装置及制备方法，由铁钛酸铋镧纳米纤维与角蛋白构成的复合层作为压电复合材料固定在氧化铟锡柔性基板上作为下层电极。压电复合材料上层覆盖有氧化铟锡柔性基板作为顶部电极。上下层电极用铜线相连构成外部电路。其中，压电复合材料层将铁钛酸铋镧纳米纤维溶解进入羊毛角蛋白溶液，并加入少量的富马酸二甲酯来调节黏度，将获得的溶液旋涂在氧化铟锡柔性基板上之后，将第二块氧化铟锡柔性基板固定在压电复合材料上层构成完整纳米发电装置，最后将整个装置在其厚度方向上进行极化。本发明专利技术采用生物材料，具有良好的生物兼容性，在生物医学领域具有广阔的前景。

Biocompatible lead-free nano piezoelectric generator and preparation method based on wool keratin

The invention relates to a biocompatible lead-free nano-piezoelectric power generation device based on wool keratin and a preparation method thereof. A composite layer composed of bismuth lanthanum titanate nanofibers and keratin is fixed on an indium tin oxide flexible substrate as a lower layer electrode. The piezoelectric composite material is covered with indium tin tin flexible substrate as the top electrode. The upper and lower electrodes are connected by copper wires to form external circuits. The piezoelectric composite layer dissolves the bismuth lanthanum ferrititanate nanofibers into wool keratin solution and adds a small amount of dimethyl fumarate to adjust the viscosity. After spinning the obtained solution onto the indium tin oxide flexible substrate, the second indium tin oxide flexible substrate is fixed on the piezoelectric composite material to form a complete nano-scale. Finally, the whole device is polarized in its thickness direction. The invention adopts biological materials, has good biocompatibility, and has broad prospects in the field of biomedicine.

【技术实现步骤摘要】
基于羊毛角蛋白的生物可兼容无铅纳米压电发电装置及制备方法
本专利技术属于新能源开发和纳米发电领域，涉及一种基于羊毛角蛋白的生物可兼容无铅纳米压电发电装置及制备方法。
技术介绍
随着对人类健康的日益关注和延长寿命的迫切渴望，植入人体的自我动力系统在生物医学应用中起着至关重要的作用。在过去十年中，压电纳米发电装置已被广泛报道用于转化生物力学等领域，其机械能转换为电能的特性使其被广泛运用在植入式医疗设备(IMD)中用于提供有效且可持续的能量。目前研究人员已成功研发出锆钛酸铅、钛酸钡等具有良好电输出性能的压电纳米材料，因为其良好的电输出性能，稳定的输出能力以及广阔的材料来源使这些材料也被广泛运用于各个领域。然而目前有效的纳米材料为锆钛酸铅等含铅类材料难以被直接运用于接触人体的纳米发电装置，其原因是铅元素对于人体有严重损伤，不利于植入式可穿戴纳米发电装置直接运用于人体，其生物毒性限制了纳米压电发电装置在生物体上的运用，并且废弃的锆钛酸铅化合物会对环境造成十分严重的破坏和污染，所以寻找具有生物兼容性的新材料是解决此问题的最有效途径。
技术实现思路
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提出一种基于羊毛角蛋白的生物可兼容无铅纳米压电发电装置及制备方法技术方案一种基于羊毛角蛋白的生物可兼容无铅纳米压电发电装置，其特征在于包括氧化铟锡柔性基板和压电复合材料；压电复合材料的上下两侧覆盖贴合氧化铟锡柔性基板，两个氧化铟锡柔性基板分别作为两个电极，通过铜线相连构成外部电路；所述压电复合材料采用铁钛酸铋镧与角蛋白构成的复合层。所述铁钛酸铋镧为纳米纤维状物质，其分子式为Bi5-xLaxTi3FeO15,其中x＝0、1。所述氧化铟锡柔性基板的外表面覆盖贴合聚对苯二甲酸乙二醇酯基板。一种制备所述的基于羊毛角蛋白的生物可兼容无铅纳米压电发电装置的方法，其特征在于步骤如下：步骤1、制备羊毛角蛋白-铁钛酸铋镧压电复合材料：将铁钛酸铋镧的纳米纤维溶解在羊毛角蛋白溶液中，并加入5.00％富马酸二甲酯得到羊毛角蛋白-铁钛酸铋镧压电复合材料；所述富马酸二甲酯的加入仅为调节黏度；所述羊毛角蛋白溶液通过氧化和去氧化两个步骤制备；步骤2：将羊毛角蛋白-铁钛酸铋镧压电复合材料在600-700rpm下于下层氧化铟锡电极板上旋涂30-40秒；步骤3：待羊毛角蛋白-铁钛酸铋镧压电复合材料干燥后，在羊毛角蛋白-铁钛酸铋镧压电复合材料上表面贴合上层氧化铟锡电极板；步骤4：连接外部导线，构成外部电路；步骤5：对连接好的发电装置进行极化处理。所述极化处理：将整体装置放置在100-200千伏每厘米电场中，在50-70℃下进行极化。所述铁钛酸铋镧的纳米纤维的制备过程：将2.22％的水合硝酸铋，1.17％的TBT，0.48％的六水合硝酸镧以及0.46％的九水合硝酸铁溶解在75.06％富马酸二甲酯中；然后，将8.16％左右聚乙烯吡咯烷酮缓慢加入在溶液中磁力搅拌35-40小时来形成透明黄色前驱体溶液；将透明黄色前驱体溶液置入注射器，通过静电纺丝方法，获得铁钛酸铋镧的纳米纤维。所述静电纺丝参数是：针头和覆盖有铝箔的收集器间距离为20cm，电压为19.5KV，喷射率为0.3ml/h。所述羊毛角蛋白溶液通过氧化和去氧化两个步骤制备的过程：将7.42％的羊毛漂洗并且干燥，然后在30℃、180-250rpm条件下将其置入过一硫酸氢钾复合水溶液中进行氧化，并且加入氢氧化钠过饱和溶液使混合溶液的PH达到3.5-5；将氧化后的纤维用去离子水集中多次漂洗、过滤直到溶液PH到达7；之后，将纤维在100℃条件下和6M尿素、5wt％亚硫酸氢钠、3wt％十二烷基硫酸钠混合4小时；将所得混合物过滤后，将过滤物用透析袋通过去离子水透析5天得到羊毛角蛋白溶液。将离子水透析后得到的羊毛角蛋白溶液继续采用聚乙二醇浓缩，得到比之前纯净度更高的羊毛角蛋白溶液。有益效果本专利技术提出的一种基于羊毛角蛋白的生物可兼容无铅纳米压电发电装置及制备方法，采用可替代铅元素的“绿色元素”铋的化合物，根据其生物毒性低，输出性能稳定等特性，制备出钙钛矿结构新型压电材料，并通过具有生物兼容性的生物材料与压电材料相复合构成具有良好生物兼容性及输出性能的纳米压电发电装置。本专利技术的目的是提供一种新型无铅压电材料，使由其组成的纳米压电发电装置具有良好的生物兼容性，可用于接触人体并且具有低生物毒性，环境友好型的纳米发电装置，并且提供该生物兼容性压电材料的制备方法。本专利技术采用铋的化合物以及羊毛角蛋白等具有生物兼容性以及环境友好性材料，有效解决了含铅元素压电材料无法与生物体相结合的难题，降低了材料对于生物体毒性的同时，又保证了纳米发电装置具有稳定的输出电性能，可运用于生物医学等更加广阔的领域中。附图说明图1是根据本专利技术一个实施例的基于羊毛角蛋白的生物可兼容无铅纳米压电发电装置的结构示意图；图2是根据本专利技术一个实施例的基于羊毛角蛋白的生物可兼容无铅纳米压电发电装置的制备流程图；图3是根据本专利技术第一个实施例的基于羊毛角蛋白的生物可兼容无铅纳米压电发电装置在交变外力作用下的输出电压的输出；图4是根据本专利技术第一个实施例的基于羊毛角蛋白的生物可兼容无铅纳米压电发电装置在交变外力作用下的输出电流的输出；图5是根据本专利技术第二个实施例的基于羊毛角蛋白的生物可兼容无铅纳米压电发电装置在交变外力作用下的输出电压的输出。具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。另外地，不应当将本专利技术的保护范围仅仅限制至下述具体实验方法或具体参数。如图1所示，为本专利技术的一种基于羊毛角蛋白的生物可兼容无铅纳米压电发电装置，包括由羊毛角蛋白溶液与铁钛酸铋镧纳米纤维构成的压电复合层1、氧化铟锡电极板构成的2u与2d分别贴合在压电复合层1的上表面和下表面、聚对苯二甲酸乙二醇酯构成的3u与3d分别贴合在2u与2d的外表面，两块氧化铟锡电极通过外部导线连接构成外部电路，当有交变外力作用在所述纳米压电发电装置时，2u氧化铟锡电极和2d氧化铟锡电极之间会产生压电电势差，从而产生交变电信号。其中，所述2u氧化铟锡电极因为极化作用在所述纳米压电发电装置上部带有负电荷，而2d氧化铟锡电极在按压过程中带有正电荷。在上述按压释放模式中，上下两氧化铟锡电极之间的压电电势差会驱动外电路中产生电荷的移动。图2示出了根据本专利技术一个实施例的基于羊毛角蛋白的生物可兼容无铅纳米压电发电装置的制备方法流程图，如图2所示，该制备方法包括以下步骤：步骤1，制备羊毛角蛋白溶液；步骤2，通过静电纺丝方法制备铁钛酸铋镧纳米纤维；步骤3，制备羊毛角蛋白-铁钛酸铋镧压电复合层；步骤4，旋涂安装氧化铟锡电极；将羊毛角蛋白-铁钛酸铋镧压电复合材料在600-700rpm下于下层氧化铟锡电极板上旋涂30-40秒；步骤5，聚对苯二甲酸乙二醇酯基板；待压电复合材料干燥后，在羊毛角蛋白-铁钛酸铋镧压电复合材料上表面贴合上层氧化铟锡电极板；步骤6，连接外部电路；连接外部导线，构成外部电路；步骤7，对整体装置进行极化处理；将整体装置放置在100-200千伏每厘本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于羊毛角蛋白的生物可兼容无铅纳米压电发电装置，其特征在于包括氧化铟锡柔性基板和压电复合材料；压电复合材料的上下两侧覆盖贴合氧化铟锡柔性基板，两个氧化铟锡柔性基板分别作为两个电极，通过铜线相连构成外部电路；所述压电复合材料采用铁钛酸铋镧与角蛋白构成的复合层。

【技术特征摘要】
1.一种基于羊毛角蛋白的生物可兼容无铅纳米压电发电装置，其特征在于包括氧化铟锡柔性基板和压电复合材料；压电复合材料的上下两侧覆盖贴合氧化铟锡柔性基板，两个氧化铟锡柔性基板分别作为两个电极，通过铜线相连构成外部电路；所述压电复合材料采用铁钛酸铋镧与角蛋白构成的复合层。2.根据权利要求1所述的基于羊毛角蛋白的生物可兼容无铅纳米压电发电装置，其特征在于：所述铁钛酸铋镧为纳米纤维状物质，其分子式为Bi5-xLaxTi3FeO15，其中x＝0、1。3.根据权利要求1所述的基于羊毛角蛋白的生物可兼容无铅纳米压电发电装置，其特征在于：所述氧化铟锡柔性基板的外表面覆盖贴合聚对苯二甲酸乙二醇酯基板。4.一种制备权利要求1或2或3所述的基于羊毛角蛋白的生物可兼容无铅纳米压电发电装置的方法，其特征在于步骤如下：步骤1、制备羊毛角蛋白-铁钛酸铋镧压电复合材料：将铁钛酸铋镧的纳米纤维溶解在羊毛角蛋白溶液中，并加入5.00％富马酸二甲酯得到羊毛角蛋白-铁钛酸铋镧压电复合材料；所述富马酸二甲酯的加入仅为调节黏度；所述羊毛角蛋白溶液通过氧化和去氧化两个步骤制备；步骤2：将羊毛角蛋白-铁钛酸铋镧压电复合材料在600-700rpm下于下层氧化铟锡电极板上旋涂30-40秒；步骤3：待羊毛角蛋白-铁钛酸铋镧压电复合材料干燥后，在羊毛角蛋白-铁钛酸铋镧压电复合材料上表面贴合上层氧化铟锡电极板；步骤4：连接外部导线，构成外部电路；步骤5：对连接好的发电装置进行极化处理。5.根据权利要求4所述的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊慧庆，赵玉伟，李哲新，魏新颖，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61