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摩擦起电是我们在中学物理中就接触过的现象，当两个不同电负性的物体相互接触并发生相对位移时，由于两种物质的原子核对核外电子的束缚能力不同，从而使两种物体带上等量异种电荷的现象。这种现象存在于我们生活中的方方面面，但是，因其不能被收集利用，通常情况下都是作为一种负面效应而被科学家们通过各种手段和技术去避免和消除的。而在2012年，美国佐治亚理工学院王中林院士团队提出并发明了一种基于摩擦起电和静电感应的摩擦纳米发电机(TENG)成功将这种能量收集并转化为电能。这种能量收集方式给传统的能量转换方式带来了技术上的革新，这是一类基于新原理和新方法的新型发电机，而且不需要昂贵的原材料。此外，由于其柔性的材质还可与其它加工技术进行整合，应用于自供能医疗电子或传感设备。TENG可以收集各种形式的机械能，比如生物体运动（走路，摆臂等），海洋波浪，风，振动能等，并可将其转化为电能或电学信号输出，正是TENG的这种特性使得其在各方面都有广泛的应用，比如我们可以利用其转化来的电能作为供电模块对传统医疗电子设备进行供电从而变成自驱动或自治疗的医疗电子设备，也可以对其输出的电学信号进行探测分析实现自驱动传感。本论文提出并设计了几种不同结构的TENG，研究了其在抗菌和促骨再生工程中的应用，同时进一步对抗菌和促进骨再生修复的机制进行了探讨。最后，设计了一种基于TENG的自驱动脉搏传感器，实现了心血管疾病的鉴别诊断。本文的研究工作主要包括以下几点: 1.脉冲高压电场灭菌因其快速无副产物等优点多用于食物和牛奶的快速灭菌，但是，由于其需要106V/m的高压才能发挥作用，故而限制了其大规模应用。本论文中，我们采用Al和橡胶球作为摩擦材料，并制备球形TENG，该TENG可在波浪能的驱动下产生约50V的电场，通过纳米线的尖端放电效应，ZnO纳米线可在该电场作用下产生高达107V/m的电场。另外，电场作用下会产生一系列的空穴和电子，能够迁移到ZnO纳米线表面并作为氧化还原反应源，形成具有强氧化性的超氧阴离子、过氧化氢等，并且Ag纳米颗粒的添加可以加强这种效应。我们所构建的这种波浪能自驱动型水杀菌体系对E.coli和S.aureus的杀菌率分别高达99.99％和99.16％。 2.制备了一种新型杀菌材料Ag-沸石掺杂的聚丙烯复合膜，并将该复合膜与Al分别作为摩擦层构建弹簧式TENG收集人体运动的机械能。一方面，Ag-沸石的掺杂提高了复合膜的介电常数和表面电荷密度，进而提高了TENG的输出性能;另一方面，Ag纳米颗粒的掺杂能够起到有效的杀菌作用，并且杀菌率随着掺杂百分比的增加而增大，3％wt Ag-沸石的掺杂对E.coli的杀菌率即可达到100％。最后，我们将所构建的弹簧式TENG整合到鞋垫中，使其在收集足底机械能的同时能够有效去除脚底真菌，结果表明对真菌的防治效率高达99.99％。这项工作为自驱动型医疗健康电子设备开拓了新的方向，拓展了TENG在医疗健康领域的应用。 3.制备了一种基于旋转式TENG的自驱动型多层空气过滤杀菌体系。该体系选用4层Ag纳米颗粒掺杂的聚酰亚胺纳米纤维膜作为空气过滤层，并将空气过滤层与旋转式TENG的正极相连接，能够有效的提高对空气中纳米颗粒的过滤和吸附效率，该体系对直径为53.3nm的超细颗粒物的去除率高达94.1％。另外，由于Ag纳米颗粒的掺杂，亦可有效去除空气中的细菌，对E.coli和S.aureus的去除率分别为94.6％和98.5％。这种零臭氧排放的空气过滤方式可有效应用于空气过滤、除霾等领域。 4.微生物粘附是存在于海洋船舶等水体环境中常见并难以解决的重大问题。我们设计了一种基于固-液界面摩擦发电的新型物理防污方法。利用TENG收集波浪能并将其转化为电能，转化的电能会在电极表面形成无电流泄漏的变化电场，利用变化的电场可以有效的防止微生物在固相表面的粘附。该方法对E.coli，S.aureus和bacillariophyceze的防粘附率分别达到了99.3％，99.1％和96.0％。这种新型防污方法具有无污染，无毒素释放，抗粘附周期长等优点，并且波浪能向电能的转换使得该方法不需要额外的能量供给，实现了自驱动防污控制，减少了使用和维护成本。 5.骨的重建和再生治疗是一个漫长的过程，为了加速这个过程，临床上多采用低功率激光治疗和低强度超声治疗。成骨细胞是骨形成的主要功能细胞，负责骨基质的合成、分泌和矿化。基于此，我们构建了一个低水平红外激光照射治疗的骨自修复系统，其基本原理是利用红外光照射刺激促进成骨细胞的增殖和分化。该自修复系统以PDMS和ITO为摩擦层制备出柔性透明的TENG来收集人体的运动能或小鼠的呼吸能，然后将输出的电能进行整流并储存于一个2.2μF的电容器中，人体摆臂约1min后可以将此电容器充满，充满后电容器释放的电量可以驱动850nm的红外激光器工作来照射成骨细胞。我们发现该系统能够有效的促进成骨细胞增殖、ALP的分泌和骨结节的形成。该研究奠定了TENG在便携式和植入式促骨再生修复治疗中的基础。 6.心血管疾病一直是全球死亡率极高的一类疾病，但庆幸的是90％的心血管疾病都是可以被预防的。因此，我们设计了一种基于TENG的自驱动脉搏传感器，采用Cu与Kapton作为摩擦层，并用PDMS进行全封装，制备出全柔性的TENG对脉搏信号进行实时监控。将传感器通过蓝牙设备与智能终端相连接，从而实现了脉搏信号的可视化分析。另外，经过病例测试并对心血管疾病患者的脉搏信号进行时域和频域的分析之后，发现可以将健康人与心血管疾病患者之间的脉搏信号区分开来，实现了心血管疾病的预防性诊断。为TENG在可穿戴式智能移动电子设备中的应用奠定了基础。 综上所述，本文主要研究了不同结构的TENG在自驱动电子设备以及医疗健康方面的应用，具有重要的科学意义和实用价值，为推动TENG在杀菌和生物医疗器件领域的应用做出了积极的探索。