2019年11月9日，清华大学机械系摩擦学国家重点实验室程嘉副研究员与姚睿副教授、路益嘉博士合作，在《纳米能源》Nano Energy上在线正式发表题为“摩擦纳米发电机用于电辅助细胞打印”(Triboelectric nanogenerators for electro-assisted cell printing)的学术文章。

摩擦纳米发电机（Triboelectric nanogenerator, TENG）是一种基于摩擦起电和静电感应原理，可将机械能转换为电能的设备，具有结构简单、价格低廉、柔性的优点。其高电压、低电流的特性，在高电压条件下为容性负载供能时具有独特优势。模块化组织工程是一种构建并利用模块化单元自下而上设计生物组织的技术，可用于细胞移植、人造器官等。载细胞水凝胶微球具有良好的互联性和机械性能和三维微环境，是最常用的研究对象。电辅助分离技术能够生产单分散、生物活性高、尺寸和形态可控的微球，以往的研究一般依靠商业电源产生直流或脉冲高压输出，系统相对复杂昂贵，而TENG作为一种新型的高压电源可以使细胞打印技术更为简单、高效。

图1.摩擦电辅助细胞打印：（a）装置效果图（b）HepaRG、Hela细胞存活性荧光染色（c）细胞存活率对比

本论文提出了一种利用摩擦纳米发电机供能的电辅助细胞打印系统，由独立摩擦层碟式摩擦纳米发电机，倍压整流电路和基本的细胞打印装置构成。摩擦纳米发电机和倍压整流电路产生高压静电场（5-8 kV），细胞打印装置产生直径（~300 μm）可控、形状规则、适合三维细胞培养的微球。在HepaRG和Hela细胞的载细胞微球打印实验中，均具有高于92％的细胞存活率，同时，利用TENG打印的微球所带电量（34.40±4.48 pC）相对于商业电源（42.40±19.66 pC）更低更稳定，更适用于电敏感性细胞打印。此外，本文进行了电学分析和多物理场耦合仿真，以揭示摩擦电驱动下的细胞打印机理；通过参数实验确定了合适的细胞打印参数。实验结果证明摩擦纳米发电机可以安全有效地用于电辅助细胞打印及后续生物应用，是现有技术的有益补充，在无法使用传统电源的场景下具有技术竞争优势。

图2. 摩擦电辅助细胞打印系统特性参数：（a）电路原理（b）摩擦纳米发电机工作原理（c）升压电路（d）微液滴电荷测量示意图（e,f）打印过程电流与电量波形（g,h）电势分布仿真结果（i）高速摄像机拍摄液滴下落过程（j）液滴下落位移与速度

程嘉、姚睿、路益嘉为本文共同通讯作者，研究生霍恒宁、刘帆为本文共同第一作者（已毕业）。其他作者包括罗依雪、顾谦、刘源、王昭政、陈若瑜、季林红教授。本工作得到国家科技重大专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金和清华自主研究项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104150