纳米拓扑结构驱动的人类真皮成纤维细胞在喷墨打印的层次化结构半圆盘上的粘附形态变化

《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》：Nanotopography-driven changes in focal adhesion morphology of human dermal fibroblast cells on inkjet-printed hierarchically structured hemitoroids

自供电传感器研究综述：生物聚合物在能量收集与智能传感中的应用进展。本文系统探讨了纤维素、壳聚糖、藻酸盐和丝蛋白等生物聚合物的能量收集机制（湿度、热电、压电及电磁效应），分析其与无机纳米材料复合后提升机械强度、离子迁移及电荷传输性能的策略。通过整合湿度梯度驱动、离子热扩散及三防电效应等原理，展示了纤维素/藻酸盐气凝胶（128.04 μW/cm2）、细菌纤维素/离子液体凝胶（-27.2 mV/K）等新型材料的性能突破。重点讨论了 Janus 膜结构、纳米通道工程及多尺度复合设计对提高能量转化效率（达15%）和循环稳定性（超10000次）的关键作用。未来需在多功能集成、绿色制造及极端环境应用中深化研究。

　　随着物联网（IoT）和柔性可穿戴技术的快速发展，对小型化、可持续且自供电传感器的需求日益增长。自供电传感技术能够将环境刺激，如温度、湿度和机械力，直接转化为电信号，无需外部电源支持。这一特性使得自供电传感器在多种应用场景中展现出巨大潜力，包括可穿戴设备、工业监测和环境感知。然而，传统能源采集材料往往存在生物相容性差、机械适应性低和规模化生产困难等问题，限制了其在柔性设备和智能传感领域的广泛应用。相比之下，基于生物质的聚合物（如纤维素、壳聚糖、丝蛋白和海藻酸）因其天然丰富、可降解、环保性和可调的纳米结构，逐渐成为下一代自供电传感器的理想平台。这些生物聚合物不仅能够通过摩擦电效应和湿度诱导机制独立发电，还能与无机纳米材料形成高性能复合材料，从而显著提升机械强度和发电效率，同时保留其固有的生物来源优势。

### 生物聚合物的特性及其在自供电传感中的潜力

生物聚合物具有多层次的结构特性，从分子到宏观尺度均展现出独特的物理化学行为。这些材料通常含有丰富的极性官能团，如羟基、氨基和羧基，这些官能团不仅能够促进化学修饰和材料加工，还为电荷传输提供了良好的条件。例如，纤维素因其丰富的羟基，能够通过水分子的吸附和解离形成离子浓度梯度，从而驱动电荷迁移，实现环境湿度转化为电能的机制。此外，生物聚合物的可调表面化学和天然柔性使其能够与多种纳米材料形成复合结构，从而在提升机械性能的同时，实现高效的能量转换。例如，壳聚糖因其丰富的氨基，能够实现优异的阳离子吸附和迁移能力，这使其在基于离子迁移的设备中具有重要应用价值，如湿度驱动和离子热电发电机。

### 环境能量采集的核心机制

环境能量采集技术主要包括湿度驱动发电、热电效应、机械电能转换（如摩擦电、电磁感应和压电效应）以及光电转换。这些机制在自供电传感器中具有重要的应用价值。湿度驱动发电主要依赖于水分子的吸附和解离，通过电荷迁移形成电势差。这一过程通常涉及两种机制：扩散诱导机制和流体诱导机制。扩散诱导机制依赖于湿度梯度，而流体诱导机制则可以在没有湿度梯度的情况下持续发电，如通过流体在微/纳米通道中的流动形成电荷积累。热电效应则利用温度梯度驱动离子迁移，从而实现热能向电能的转换。这一过程通过Seebeck效应、Peltier效应和Thomson效应实现，其中Seebeck效应是热电材料的核心机制，通过载流子的扩散产生电压。压电效应则是通过非中心对称晶体结构实现的，机械应力导致晶格变形，进而引发离子位移，形成电荷分布。相比之下，压电离子效应则通过溶剂浸润的聚合物网络实现，机械应力引发离子的不对称迁移，从而形成电荷密度梯度。光电转换则是通过半导体材料吸收光子能量，产生电子-空穴对，进而通过内置电场实现电流流动。

### 生物聚合物复合材料在能量采集和自供电传感中的进展

近年来，研究人员通过多种策略对生物聚合物复合材料进行了优化，使其在能量采集和自供电传感领域取得了显著进展。例如，基于纤维素的湿度驱动发电机通过设计不对称结构（如Janus膜和双梯度气凝胶）实现了持续发电，将功率密度从nW/cm2提升至mW/cm2。这些结构不仅能够保持离子梯度，还能增强电荷传输效率，从而提升发电性能。在热电转换领域，生物聚合物材料如细菌纤维素和海藻酸通过引入钙离子和金属-有机框架（MOF）等离子体材料，显著提升了热电性能。通过调控红ox对和添加剂，研究人员实现了高达24.17 mV/K的热电系数和3.4 J/m2/K2的能量密度，这些材料在生物热能采集和环境监测中具有广阔的应用前景。

在机械能转换方面，基于生物聚合物的摩擦电纳米发电机（TENGs）和自供电传感器取得了重要突破。例如，研究人员利用壳聚糖-硅藻土复合薄膜和对称结构设计，实现了高电压输出（如150 V）和稳定的电流密度（如1.02 μA）。这些TENGs能够将低频环境机械能（如人体运动和振动）转化为电能，同时具备内在的传感能力，为分布式能量采集和智能传感提供了解决方案。此外，通过结构设计和表面化学调控，如利用纤维素纳米晶-液态金属复合材料，研究人员开发了具有自供电功能的传感器，能够监测人体运动、压力分布和环境变化，从而实现灵活的健康监测和环境感知。

### 挑战与未来发展方向

尽管生物聚合物在自供电传感领域展现出巨大的潜力，但仍面临诸多挑战。首先，材料的电导率和电荷保持能力需进一步优化，以满足工业应用的需求。其次，绿色可扩展制造技术的开发对于实现生物聚合物的可持续性至关重要。当前许多生物聚合物材料的制备过程仍依赖于高能耗的化学处理，未来需要探索低能耗的加工方法，如溶剂自由或水性处理工艺，以及基于模板法、电纺丝和化学接枝的结构设计策略。此外，材料的环境适应性也是重要的研究方向，特别是在高湿度、高温和低湿度等极端条件下，生物聚合物的性能稳定性需进一步提升。

在应用层面，未来研究应拓展自供电传感器的应用场景，如水下、极端温度和植入式医疗设备。同时，应加强自供电传感器与能量管理系统、微型超级电容器和低功耗无线通信模块的集成，以构建真正自主运行的传感节点。这不仅能够提升系统的智能化水平，还能推动自供电技术在物联网、可穿戴设备和可持续能源网络中的广泛应用。

综上所述，基于生物聚合物的自供电传感器是材料科学、能源工程和电子技术融合的典范，为下一代智能系统提供了可持续的解决方案。随着研究的深入和技术的进步，这些传感器有望在个性化医疗、环境监测和物联网应用中发挥更大的作用，成为推动绿色科技和智能连接的重要力量。