一種生物醫(yī)用可降解微型摩擦發(fā)電機(jī)，包括導(dǎo)電基板a、易獲得電子的絕緣型高分子聚合物層、導(dǎo)電基板b和易失去電子的絕緣型高分子聚合物層，易獲得電子的絕緣型高分子聚合物層和易失去電子的絕緣型高分子聚合物層的中間接觸界面通過(guò)不同形狀的花紋圖案凹凸相對(duì)緊密接觸或形成弧形空間，該微型摩擦發(fā)電機(jī)固定于骨釘骨板與受損組織之間，兩個(gè)導(dǎo)電基板a、b與體內(nèi)治療系統(tǒng)正、負(fù)電位以及體外檢測(cè)系統(tǒng)連接。本發(fā)明專利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：該生物醫(yī)用可降解微型發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，置入體內(nèi)后，經(jīng)肌體運(yùn)動(dòng)、外部按摩、震動(dòng)等擠壓摩擦，產(chǎn)生微電壓、電流，可作為植入體內(nèi)通過(guò)肌體運(yùn)動(dòng)或者外部按摩、震動(dòng)等擠壓摩擦產(chǎn)生的微電壓而使細(xì)胞快速生長(zhǎng)。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能的微型發(fā)電技術(shù)，特別是。
技術(shù)介紹
2006年，美國(guó)佐治亞學(xué)院王中林課題組首次專利技術(shù)了納米發(fā)電機(jī)，這類基于ZnO等兼具半導(dǎo)體性能和壓電特性的納米線陣列的納米發(fā)電機(jī)，為驅(qū)動(dòng)微瓦量級(jí)電子器件，解決微小電子設(shè)備的供能問(wèn)題開辟了新的途徑，使壓電電子學(xué)和納米能源器件成為納米科技領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。2011年，王教授課題組在納米發(fā)電機(jī)的研究過(guò)程中又專利技術(shù)了基于接觸摩擦效應(yīng)的微型發(fā)電機(jī)，大大簡(jiǎn)化了納米發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)，提高了輸出電壓。近年來(lái)，隨著納米生物材料和技術(shù)的不斷發(fā)展，用于醫(yī)學(xué)診斷、治療和促進(jìn)器官再生的生物電子器件，如監(jiān)測(cè)心臟、大腦和肌肉活動(dòng)的植入式探測(cè)器、超靈敏的化學(xué)和生物分子傳感器及納米機(jī)器人 等，在臨床上顯示了極大的應(yīng)用前景。納米(摩擦)發(fā)電機(jī)同樣可以為這類微小尺寸生物電子設(shè)備解決驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。然而，作為植入體內(nèi)的器件，生物微型發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)，從選材上要求組成材料必須生物安全，且具有良好的生物相容性，甚至生物降解性能。據(jù)報(bào)道，2012年10月美國(guó)伊利諾伊大學(xué)等機(jī)構(gòu)開發(fā)出一種可降解的超薄醫(yī)用電子元件，這種由超薄的硅納米膜、氧化鎂電極以及蠶絲保護(hù)層組成的微型電子裝置，在體內(nèi)與體液作用時(shí)會(huì)逐漸溶化降解。而適用于植入體內(nèi)的納米(摩擦)發(fā)電機(jī)，目前在國(guó)內(nèi)外還是空白。此外，相關(guān)報(bào)道已經(jīng)證實(shí):在受損組織兩側(cè)施加一個(gè)微電壓，對(duì)刺激損傷周圍細(xì)胞的活躍和增殖，進(jìn)而促進(jìn)新生組織生長(zhǎng)有非常積極的作用。研究表明，當(dāng)外加微電勢(shì)差達(dá)到100-200mv/mm時(shí)，損傷愈合的速率最快。因此，可以考慮將輸出微電壓的納米(摩擦)發(fā)電機(jī)固定于骨修復(fù)器件以及骨組織工程支架上，隨其一起植入體內(nèi)，通過(guò)肌體運(yùn)動(dòng)及外部的一些輕微按摩或者震動(dòng)等，使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生微小電壓，從而加速骨組織的愈合，使其與支架材料的降解速率相匹配。這是一個(gè)新的研究領(lǐng)域，目前尚未見(jiàn)報(bào)道。鎂及其合金因其與自然骨的密度、彈性模量更為接近，在作為骨折內(nèi)固定材料的應(yīng)用中顯示了比可降解高分子及陶瓷材料更為優(yōu)異的力學(xué)相容性。但是，由于其在體內(nèi)腐蝕降解速率過(guò)快，限制了臨床可應(yīng)用產(chǎn)品的開發(fā)。如將本專利技術(shù)的可降解微型摩擦發(fā)電機(jī)與骨折內(nèi)固定物設(shè)計(jì)成一體植入體內(nèi)，由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的微電壓對(duì)傷口愈合速率的增加，補(bǔ)償鎂合金降解速率過(guò)快的缺陷，可以在不改變鎂合金本身降解速率的基礎(chǔ)上，通過(guò)提高受損組織的愈合速率，使其與鎂合金骨釘骨板的降解速率相匹配，而發(fā)電機(jī)自身也隨著骨折的愈合而逐漸降解。有關(guān)這方面的研究目前也未見(jiàn)報(bào)道。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是針對(duì)上述技術(shù)分析，提供一種可植入體內(nèi)的生物醫(yī)用可降解微型摩擦發(fā)電機(jī)及其制備方法，該微型摩擦發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于操作、成本低廉，可驅(qū)動(dòng)體內(nèi)電子設(shè)備，也可加速體內(nèi)損傷組織的修復(fù)。本專利技術(shù)的技術(shù)方案:一種生物醫(yī)用可降解微型摩擦發(fā)電機(jī)，包括上薄片和下薄片，上薄片自上而下依次為導(dǎo)電基板a和易獲得電子的絕緣型高分子聚合物層，下薄片自下而上依次為導(dǎo)電基板b和易失去電子的絕緣型高分子聚合物層，上薄片和下薄片兩末端上下對(duì)齊并分別封裝且保證導(dǎo)電基板a與導(dǎo)電基板b不接觸，易獲得電子的絕緣型高分子聚合物層和易失去電子的絕緣型高分子聚合物層的中間接觸界面通過(guò)不同形狀的花紋圖案凹凸相對(duì)緊密接觸或形成弧形空間，該微型摩擦發(fā)電機(jī)固定于骨釘骨板與受損組織之間，兩個(gè)導(dǎo)電基板a、b通過(guò)導(dǎo)線與體內(nèi)治療系統(tǒng)正、負(fù)電位以及體外檢測(cè)系統(tǒng)連接。所述導(dǎo)電基板a為高導(dǎo)電生物可降解高分子聚合物，具體為殼聚糖、聚乙烯醇、乳酸、聚乙交酯、聚碳酸酯、聚酸酐、聚己內(nèi)酯或其共聚物中的一種或兩種以上任意比例的多層混合物，其厚度為10-500 u m。所述導(dǎo)電基板b為生物可降解金屬或合金片，具體為:1)純鎂片、鎂合金中的AZ31、WE43 或 Mg-Zn - Zr 合金，Mg-Zn - Zr 合金中 Zn 含量為 l_3wt%、Zr 含量為 0.5-1.0wt%、余量為Mg ;2)純鐵片、Fe35Mn或Fe-Mn-C合金，F(xiàn)e-Mn-C合金中，Mn含量為l_45wt%、C含量為0.5-2.5wt%、余量為Fe ;導(dǎo)電基板b的厚度為100-1000 y m。所述易獲得電子的絕緣型高分子聚合物為聚二甲基硅氧烷、聚酸酐、聚乳酸、醫(yī)用可降解聚酯以及天然或改性纖維素中的一種或兩種以上任意比例的多層混合物，其厚度為10-100u mD所述易失去電子的絕緣型高分子聚合物為膠原、明膠、彈性蛋白、絲蛋白和天然及改性高分子蛋白中的一種或兩種以上任意比例的多層混合物，其厚度為10-100 u m。所述不同形狀的花紋圖案為半球體、圓柱型、長(zhǎng)方體、棱錐、棱臺(tái)、圓錐或圓臺(tái)圖案，圖案的長(zhǎng)、寬、高三維尺寸分別為1-10 u m、1-10 u m、1-100 u m。一種所述生物醫(yī)用可降解微型摩擦發(fā)電機(jī)的制備方法，步驟如下:I)用高導(dǎo)電生物可降解高分子聚合物注塑制備導(dǎo)電基板a，導(dǎo)電基板a的一面為光滑面，另一面為粗糙面；2)將易獲得電子的絕緣型高分子聚合物溶于去離子水或有機(jī)溶劑中得到溶液，將該溶液均勻涂刷于導(dǎo)電基板a的粗糙面，經(jīng)風(fēng)干后再涂刷，多次涂刷直至達(dá)到厚度要求，然后放入真空干燥箱中在50-100°C下干燥l_3h，用酒精洗滌殘留的有機(jī)物形成易獲得電子的絕緣型高分子聚合物層；3)用生物可降解金屬或片制備導(dǎo)電基板b，導(dǎo)電基板b的一面為光滑面，另一面為粗糙面；4)將易失去電子的絕緣高分子聚合物溶于去離子水或有機(jī)溶劑中得到溶液，將該溶液均勻涂刷于導(dǎo)電基板b的粗糙面，經(jīng)風(fēng)干后再涂刷，多次涂刷直至達(dá)到厚度要求，然后放入真空干燥箱中在50-100°C下干燥l_3h，用酒精洗滌殘留的有機(jī)物形成易失去電子的絕緣高分子聚合物層；5)將易獲得電子的絕緣型高分子聚合物層和易失去電子的絕緣高分子聚合物層分別用激光雕刻出不同形狀的花紋圖案；6)將上薄片和下薄片兩末端上下對(duì)齊并分別封裝且保證導(dǎo)電基板a與導(dǎo)電基板b不接觸，上薄片和下薄片的中間接觸界面通過(guò)不同形狀的花紋圖案凹凸相對(duì)緊密接觸或形成弧形空間；7)兩個(gè)導(dǎo)電基板a、b通過(guò)導(dǎo)線與體內(nèi)治療系統(tǒng)正、負(fù)電位以及體外檢測(cè)系統(tǒng)連接，即可構(gòu)成該生物醫(yī)用可降解微型摩擦發(fā)電機(jī)。所述有機(jī)溶劑為環(huán)己烷、四氫呋喃或氯仿。本專利技術(shù)的工作原理為:摩擦發(fā)電機(jī)中兩正對(duì)面高分子層沿一定方向上受到外力擠壓變形摩擦?xí)r，其表面就會(huì)有摩擦產(chǎn)生的靜電荷。由于所用兩種絕緣高分子材料在失去電子和得到電子方面的性能有較大的差別，二者摩擦產(chǎn)生的靜電按電荷種類分別分布在兩個(gè)相對(duì)的高分子表面(導(dǎo)電基板)。在兩表面分開一小距離時(shí)，磨擦產(chǎn)生的靜電荷層形成一個(gè)極化層并有一定的電勢(shì)差。該電 勢(shì)差帶動(dòng)上下兩導(dǎo)電極板中的電子通過(guò)外回路而流動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)反的電場(chǎng)來(lái)抵消摩擦靜電荷所產(chǎn)生的電勢(shì)。由于所選擇的制備材料均為生物醫(yī)用可降解的材料，置入體內(nèi)后伴隨受損組織的痊愈，發(fā)電機(jī)也可以逐漸降解。本專利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是:該基于摩擦效應(yīng)的生物醫(yī)用可降解微型發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、操作簡(jiǎn)單，置入體內(nèi)后，經(jīng)肌體運(yùn)動(dòng)、外部按摩、震動(dòng)等擠壓摩擦，產(chǎn)生微電壓、電流，即形成微型發(fā)電機(jī)，可作為植入體內(nèi)的微型診斷、治療設(shè)備的電源，也可直接作用于損傷部位，通過(guò)肌體運(yùn)動(dòng)或者外部按摩、震動(dòng)等擠壓摩擦產(chǎn)生的微電壓而使細(xì)胞快速生長(zhǎng)，進(jìn)而使受損組織快速痊愈，可廣泛用于診斷、快速治療和器官再生等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。附圖說(shuō)明圖1為中間界面緊密接觸生本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種生物醫(yī)用可降解微型摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于：包括上薄片和下薄片，上薄片自上而下依次為導(dǎo)電基板a和易獲得電子的絕緣型高分子聚合物層，下薄片自下而上依次為導(dǎo)電基板b和易失去電子的絕緣型高分子聚合物層，上薄片和下薄片兩末端上下對(duì)齊并分別封裝且保證導(dǎo)電基板a與導(dǎo)電基板b不接觸，易獲得電子的絕緣型高分子聚合物層和易失去電子的絕緣型高分子聚合物層的中間接觸界面通過(guò)不同形狀的花紋圖案凹凸相對(duì)緊密接觸或形成弧形空間，該微型摩擦發(fā)電機(jī)固定于骨釘骨板與受損組織之間，兩個(gè)導(dǎo)電基板a、b通過(guò)導(dǎo)線與體內(nèi)治療系統(tǒng)正、負(fù)電位以及體外檢測(cè)系統(tǒng)連接。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳民芳，王中林，李偉，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：天津理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：天津;12
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