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北京化工大學(xué)楊丹教授和納米能源所王中林教授/陳翔宇教授團隊 AFM：基于高壓摩擦納米發(fā)電機與介電彈性體驅(qū)動器的自供電胰島素注射泵
2023-03-30  來源：高分子科技

  胰島素泵治療是一種胰島素替代性療法，主要用于I型糖尿病的治療，可實現(xiàn)無痛、精準且高效的胰島素注射。傳統(tǒng)用于胰島素泵治療的注射泵通常結(jié)構(gòu)較為剛性，長期佩戴易產(chǎn)生不適，多采用一次性或可充電電池供電，續(xù)航時間有限且注射劑量由內(nèi)置程序控制，可調(diào)節(jié)性有待提升，這些問題在一定程度上會給患者帶來使用上的不便。因此，設(shè)計一款可實現(xiàn)自供電效果且藥物輸送量更便于調(diào)節(jié)的柔性胰島素注射泵具有十分重要的實用價值。


  北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院楊丹教授團隊與中科院納米能源與系統(tǒng)研究所王中林教授/陳翔宇教授團隊合作，構(gòu)建了基于介電彈性體致動器的的柔性注射泵（DE-SSP）與具有高電壓輸出的摩擦納米發(fā)電機（H-TENG），并成功使用H-TENG驅(qū)動了DE-SSP，實現(xiàn)了自供電柔性注射系統(tǒng)的構(gòu)筑（圖1）。該注射泵利用介電彈性體薄膜在施加電壓條件下發(fā)生電致形變的特點，在介電彈性體薄膜上預(yù)先施加壓力，當薄膜上施加電壓后，薄膜擴張，進一步壓迫液囊，實現(xiàn)液體輸出（圖2）。在直流高壓電源供電情況下，該注射泵每次循環(huán)可輸送的最大液體量為262.4μL（圖3），而在H-TENG驅(qū)動情況下則為303.7 μL（圖4），可以滿足病人日常所需的注射量需求，該H-TENG極低的輸出電流也保證了其使用過程中的操作安全。研究發(fā)現(xiàn)在H-TENG驅(qū)動條件下，DE-SSP的液體輸送量與H-TENG的旋轉(zhuǎn)角度具有很高的線性相關(guān)性，使用者可通過調(diào)節(jié)H-TENG的旋轉(zhuǎn)角度，靈活便捷且較為精確地獲得所需的注射量。此外，實驗中所用到的相容性電極具有很好的生物相容性，進一步保證了使用安全（圖5）。在當前研究的基礎(chǔ)上引入血糖儀，則有望實現(xiàn)自供電的胰島素閉環(huán)輸送效果（圖6）。基于高電壓輸出摩擦納米發(fā)電機與介電彈性體致動器的可用于胰島素泵治療的自供電注射泵為介電彈性體與摩擦納米發(fā)電機的交叉應(yīng)用領(lǐng)域研究提供了一項優(yōu)秀范例，并且在微型泵及藥物輸送泵領(lǐng)域有著十分巨大的應(yīng)用潛力。 


圖1.自供電DE-SSP與傳統(tǒng)胰島素泵的對比。 


圖2.DE-SSP的結(jié)構(gòu)設(shè)計及基本工作原理展示。 


圖3.直流高壓電源驅(qū)動條件下DE-SSP的液體輸送性能表征。 


圖4.高電壓輸出摩擦納米發(fā)電機的性能及在其驅(qū)動下的DE-SSP的液體輸送性能表征。


 圖5.順應(yīng)性電極材料的細胞毒性表征。


 圖6.使用DE-SSP模擬注射過程的照片以及有望在其與高輸出摩擦納米發(fā)電機結(jié)合的基礎(chǔ)上，借助血糖儀實現(xiàn)胰島素實時閉環(huán)輸送的系統(tǒng)設(shè)計。


  相關(guān)工作以“Self-Powered Syringe Pump for Insulin Pump Therapy Based on High-Voltage Triboelectric Nanogenerator and Dielectric Elastomer Actuator”為題發(fā)表在材料領(lǐng)域頂級期刊Advanced Functional Materials（10.1002/adfm.202213727）上。論文第一作者為北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士生魏毅，通訊作者為北京化工大學(xué)楊丹教授與中科院納米能源系統(tǒng)與研究所王中林教授及陳翔宇教授。該論文得到了國家自然科學(xué)基金、北京市科技新星計劃以及中國教育部的中央高校基礎(chǔ)研究基金的資助。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202213727

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