CN103418081B - 摩擦电电场驱动药物离子导入的系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种摩擦电电场驱动药物离子导入的系统，包括摩擦发电机、整流器、药物离子载体和电场电极；所述摩擦发电机与整流器连接；所述整流器包括两个直流电输出端，其中一个直流电输出端与电场电极连接，另一个直流电输出端用于与药物受体连接，以在电场电极与药物受体之间形成直流电场；所述药物离子载体设置于直流电场中；所述摩擦发电机为薄膜型，且隔着绝缘隔离层与电场电极平行设置。本发明提供的摩擦电电场驱动药物离子导入的系统，利用摩擦发电在电场电极与药物受体之间形成了一个稳定的脉冲型直流电场，能够有效、安全的促进人体皮肤药物离子导入。

Description

摩擦电电场驱动药物离子导入的系统

技术领域

本发明涉及一种药物离子导入装置，尤其是涉及一种利用摩擦所产生的电场促进药物离子导入到人体皮肤的系统。 

背景技术

随着现代生活水平不断提高，生活节奏不断加快，便携式的个人健康护理装置可以满足人们对个人健康的追求，将成为人们未来生活中不可或缺的一部分。具有微米甚至纳米尺度特殊功能和效应的传感器、医用护理装置等多功能智能装置将为人类提供前所未有的健康生活保障，而简单、高效、便携式的功能特性将有助于这些装置的商业普及和日常应用。电刺激药物导入方法在美容保健和部分疾病的治疗方面已广泛应用。直流电场离子导入疗法是利用正负电极在人体外形成一个直流电场，在直流电场中加入带阴阳离子的药物。根据直流电场内同性电荷相斥，异性电荷相吸的原理，将药物离子导入体内。将所需导入的药物离子放在极性与该离子极性相同的电极下，即将带正电荷的药物离子放在阳极下，带负电荷的离子放在阴极下，药物离子在直流电场的作用下，可通过完整皮肤黏膜和伤口进入人体内，从而达到美容保健以及治疗疾病等目的。 

直流电场药物离子导入的方法有以下特点，导入的药物只有需要发挥药理作用的那一部分，不是混合剂。而采用皮下或皮内注射方法就要注入大量没有治疗价值的溶液和基质。药物离子导入还可以将药物直接导入需要治疗的部位，特别是对表层的病灶，对于较深层的组织也可以用体内导入法。直流电导入的药物在体内停留时间比其他给药方法停留时间长，药物导入法所形成的药物储存库，能逐渐消散而进入血液和淋巴液，这样产生时间的全身性作用。直流电药物导入时，直流电和药物离子作用于内、外感受器，然后通过反射途径而产生局部和全身的治疗作用。该方法还能避免药物内服或注 射等方法的副作用如胃肠刺激症状，注射后吸收不良等 

然而，传统的电场药物离子导入方法都需要价格高昂的专用仪器和设备，需要专业的医用技术人员进行操作。这些都有可能导致其在安全、便携性、适用性和维护方面等方面存在问题，限制了其在日常生活方面的应用。如何寻找一种简单实用、安全高效，而且不需要外加电源的药物导入方法将对该领域的发展产生极其重要的影响。 

发明内容

本发明为解决现有技术中存在的问题而提供了一种简单实用、安全高效的药物离子导入系统。 

本发明提供了一种摩擦电电场驱动药物离子导入的系统，包括摩擦发电机、整流器、药物离子载体和电场电极，所述摩擦发电机与整流器连接，所述整流器包括两个直流电输出端，其中一个直流电输出端与电场电极连接，，另一个直流电输出端用于与药物受体连接，以在电场电极与药物受体之间形成直流电场；所述药物离子载体设置于直流电场中；所述摩擦发电机为薄膜型，且隔着绝缘隔离层与电场电极平行设置。 

所述药物受体是导电性的，例如人体皮肤、动物体皮肤等。 

优选的，所述绝缘隔离层涂覆于所述摩擦发电机的第一电极或第二电极外，并在绝缘隔离层上涂覆或镀电场电极，药物离子载体覆于电场电极上，摩擦发电机、绝缘隔离层、电场电极与药物离子载体形成一体。 

本发明提供的摩擦电电场驱动药物离子导入的系统，其中，所述摩擦发电机的一种方案是，依次层叠的第一电极，第一高分子聚合物绝缘层，第二高分子聚合物绝缘层和第二电极，所述第一电极和第二电极为摩擦发电机电压和电流输出电极；其中，至少一个高分子聚合物绝缘层的未设置电极的表面上具有微纳凹凸结构。 

优选的，所述第一高分子聚合物绝缘层的未设置第一电极的表面上具有微纳凹凸结构；所述第二高分子聚合物绝缘层的未设置第二电极的表面上具有微纳凹凸结构；所述第一高分子聚合物绝缘层的具有微纳凹凸结构的表面与第二高分子聚合物绝缘层的具有微纳凹凸结构的表面相对接触叠放。 

优选的，所述摩擦发电机所述第一高分子聚合物绝缘层与所述第二高分子聚合物绝缘层材质不同。第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层材质如果相同，会导致摩擦起电的电荷量很小。所述第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层分别独立的选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜中的任意一种。 

优选的，所述第一电极、第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层和第二电极为柔性平板结构，它们任意弯曲或变形造成所述第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层摩擦起电。柔性平板结构可以使摩擦发电机按照人体皮肤的形状配合接触，使摩擦电电场均衡。 

所述第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层表面的微纳凹凸结构为纳米级至微米级的凹凸结构；微纳凹凸优选为纳米级的凹凸，大小为50nm-300nm，纳米凹凸摩擦接触面积大，可以提高摩擦起电效率。所述第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层的外侧边缘可以通过胶带等方式连接。 

所述第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层上的金属薄膜(第一电极和第二电极)通过真空溅射法或蒸镀法镀于绝缘层表面。所述金属薄膜可以是任何一种导电的材料，如透明导电薄膜、导电高分子、不锈钢等；优选为分别独立的选自铟锡氧化物、石墨烯电极、银纳米线膜，以及金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬、锡或它们的合金中的任意一种，第一电极和第二电极的厚度优选为50nm-200nm。 

本发明提供的摩擦电电场驱动药物离子导入的系统，其中，所述摩擦发电机的另外一种方案是，所述摩擦发电机包括依次层叠的第一电极，第一高 分子聚合物绝缘层，居间薄膜，第二高分子聚合物绝缘层和第二电极。所述居间薄膜为高分子聚合物绝缘层，其面向第一高分子聚合物绝缘层或第二高分子聚合物绝缘层的表面上设有微纳凹凸结构，但是居间薄膜其两个表面不会同时设有微纳凹凸结构；所述第一电极和第二电极为摩擦发电机电压和电流输出电极。 

进一步，所述第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层、居间薄膜（第三高分子聚合物绝缘层）材质可以相同，也可以不同。如果三层高分子聚合物绝缘层的材质都相同，会导致摩擦起电的电荷量很小。第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层优选相同，能减少材料种类，使本发明的制作更加方便。 

更进一步优选的情况下，所述第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层、居间薄膜为透明材料。所述第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层、居间薄膜分别独立的选自如下透明高聚物中的任意一种：聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)和液晶高分子聚合物（LCP）。所述第一电极和第二电极分别独立的选在铟锡氧化物（ITO）、石墨烯电极和银纳米线膜中的任意一种。采用上述优选材料后，这时整个摩擦发电机是一个全透明柔性装置。 

所述第一电极，第一高分子聚合物绝缘层，居间薄膜，第二高分子聚合物绝缘层和第二电极为柔性平板结构，用于通过其任意弯曲、变形造成所述第一高分子聚合物绝缘层与居间薄膜摩擦起电。柔性平板结构可以使摩擦发电机按照人体皮肤的形状配合接触，使摩擦电电场均衡。 

所述居间薄膜表面的微纳凹凸结构为纳米级至微米级的凹凸结构。所述居间薄膜表面的微纳凹凸结构为规则的凹凸结构，凹凸结构为条纹状、立方体型、四棱锥型或圆柱形中一种。所述微纳凹凸结构为纳米级至微米机的凹凸结构；微纳凹凸优选为纳米级的凹凸，大小为50nm-300nm，纳米凹凸可以使摩擦接触面积增大，从而提高摩擦起电效率。 

当摩擦发电机不需要特别制作成全透明时，并保证所述第一高分子聚合物绝缘层与所述居间薄膜材质不同前提下，所述第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层、居间薄膜分别独立的选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜中的任意一种。

当然，无需将摩擦发电机制成全透明时，所述第一电极和第二电极可以为金属薄膜，所述金属薄膜可以是任何一种导电的材料，如导电高分子、不锈钢等；优选为金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬、锡及它们的合金中的一种，厚度优选为50nm-200nm。所述第一电极和第二电极可以通过真空溅射法或蒸镀法镀于第一高分子聚合物绝缘层或第二高分子聚合物绝缘层表面。 

所述第一电极，第一高分子聚合物绝缘层，居间薄膜，第二高分子聚合物绝缘层和第二电极的外侧边缘通过胶带等方式连接 

第二种方案的摩擦电发电机依靠摩擦电电势的充电泵效应，这是一种简单、低成本和可大规模生产的方法。以双层高分子聚合物绝缘层结构为基础，采用居间薄膜改进摩擦面微观结构，提高了摩擦效率，使电输出达到峰值电压23V，电流1.2μA，增强了摩擦电电场场强。另外，摩擦电发电机以柔性聚合物片为基础，易加工，使用寿命长，并且容易与其它加工工艺集成。 

因此，在本发明提供的摩擦电促进药物离子导入的系统中，薄膜型的摩擦发电机在超声振动或者摩擦外力的作用下可在第一电极和第二电极上产生一个交变电场，该交变电场经过整流器作用后可转变成为一个脉冲型直流电场。整流器的两个直流电输出端，一端连接电场电极，另外一端与人体皮肤相连，电场电极与人体皮肤之间放置药物离子载体。由于人体皮肤是良性导体，因此，在电场电极与人体皮肤间就形成一个单项直流电场，载体中的药物离子在电场的驱动下可定向导入到人体皮肤中，这是摩擦电促进药物离子导入和吸收的基本原理。 

本发明提供的摩擦电促进药物离子导入的系统，可根据不同离子的特性，有选择性的改变电场电极与人体皮肤之间的电场方向。当该系统用于人体关节和肌肉等运动部位时，可不使用超声振动或者摩擦外力，此时人体的运动可促使摩擦发电机将搜集来的机械能转化为电能，同样可以促进药物离子的导入。该系统可集成和反复使用，只需更换不同药物离子载体，即可适用于不同药物离子的吸收。本发明解决了传统贴片型药物治疗周期长、吸收效率低以及现有的药物导入方法中电子医疗设备体积大、造价高、不易携带等问题，是一种安全、方便而有效的新方法。 

附图说明

图1为本发明摩擦电促进药物离子导入的系统的结构示意图。 

图2为本发明摩擦电促进药物离子导入的系统一种具体实施例中摩擦发电机的示意图。 

图3为本发明摩擦电促进药物离子导入的系统一种具体实施例中摩擦发电机的发电原理示意图。 

图4为本发明摩擦电促进药物离子导入的系统另一种具体实施例中摩擦发电机的结构示意图。 

图5为本发明摩擦电促进药物离子导入的系统另一种具体实施例中摩擦发电机的制备过程示意图。 

图6为本发明摩擦电促进药物离子导入的系统另一种具体实施例中摩擦发电机的三种居间薄膜微观结构示意图。 

图7为本发明实施例1系统的整流器整流后，电场电极6与人体皮肤4间直流电场5的电压和电流图。 

图8为本发明实施例2系统的整流器整流后，电场电极6与人体皮肤4间直流电场5的电压和电流图。 

图中：1、超声振动或摩擦外力，2、整流器，3、药物离子载体，4、人体皮肤，5、直流静电场，6、电场电极，7、绝缘隔离层，8、摩擦发电机；20、第一电极，21、第二电极，22、第一高分子聚合物绝缘层，24、第二高分子聚合物绝缘层，25、微纳凹凸结构；40、第一电极，41、第二电极，42、 第一高分子聚合物绝缘层，44、居间薄膜，45、第二高分子聚合物绝缘层。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。 

实施例1 

图1是一种摩擦电电场驱动药物离子导入的系统的具体实施方式，如图所示，该系统包括摩擦发电机8、整流器2、药物离子载体3和电场电极6，摩擦发电机8与整流器2连接以将摩擦发电机8产生的交流电转换成直流电。整流器2包括两个直流电极（直流电输出端），其中一个直流电极与电场电极6连接，另一个直流电极与人体皮肤4连接，在电场电极6与人体皮肤4之间形成直流静电场5。 

该摩擦发电机8为多层薄膜型。该摩擦发电机8与该电场电极6在同一方向上平行放置，在摩擦发电机8与电场电极6之间设置绝缘隔离层7，即在摩擦发电机8的第一电极20或第二电极21外侧与电场电极6之间设置绝缘隔离层7。所述药物离子载体3设置在电场电极6与人体皮肤4之间，药物离子在直流静电场5电场力的驱动下导入人体皮肤4。 

其中，所述隔离绝缘层7涂覆于所述摩擦发电机8的第一电极20或第二电极21外表面上，并在绝缘隔离层7上涂覆或镀电场电极6，药物离子载体3进一步涂覆于电场电极6上，摩擦发电机8、绝缘隔离层7、电场电极6与药物离子载体3形成一体。 

图2是上述摩擦发电机8的一个以高分子聚合物为基础的典型结构，有效尺寸4.5cm×1.2cm,，总厚度大约是400μm。摩擦发电机8就像一个由两种不同聚合物片组成的三明治结构，该摩擦发电机8包括依次放置的第一电极20，第一高分子聚合物绝缘层22，第二高分子聚合物绝缘层24和第二电极21。如图2所示，一个矩形的（4.5cm×1.2cm）聚酰亚胺（Kapton）薄膜（厚度125μm，杜邦500HN）作为第一高分子聚合物绝缘层22，柔性聚酯（聚对苯二甲酸乙二醇酯，PET）薄膜基底（厚度220μm）用作第二高分子聚合物绝缘层24。第一高分子聚合物绝缘层22的一个表面上具有微纳凹凸结构25，另一个表面上通过溅射涂膜的方法镀有合金金属导电薄膜（厚度100nm，图3 中Au），该合金金属导电薄膜即为第一电极20。第二高分子聚合物绝缘层24的一个表面上具有微纳凹凸结构25，另一个表面上通过溅射涂膜的方法镀有合金金属导电薄膜（厚度100nm，图3中Au），该合金金属导电薄膜即为第二电极21。第一高分子聚合物绝缘层22的具有微纳凹凸结构25的表面与第二高分子聚合物绝缘层24的具有微纳凹凸结构25的表面相对接触叠放，层间没有任何粘合物。 

该摩擦发电机8的两个短的边缘用普通胶布密封，来保证两个聚合物绝缘层的适度接触。第一电极20和第二电极21在这里起两个重要作用：（1）可以感应第一高分子聚合物绝缘层22与第二高分子聚合物绝缘层24接触界面由于摩擦产生的电势变化，生成等量但电性相反的移动电荷；（2）作为发电机的正负电极直接与外电路连接，是摩擦发电机的电压和电流的输出电极。该摩擦发电机8的整个制备工艺简单，可以大规模生产。因此，本发明是可以在较低成本、较少原材料和加工工序的条件下实现。 

第一高分子聚合物绝缘层22与第二高分子聚合物绝缘层24的表面上具有微纳凹凸结构25，该微纳凹凸结构25的大小为150nm。 

微纳凹凸结构25可以增加摩擦阻力，提高发电效率。微纳凹凸结构25可以在薄膜制备时直接形成，也可以用打磨的方法使将高分子聚合物薄膜的表面形成不规则的微纳凹凸结构。 

图3是摩擦发电机8发电原理的图解。当外力作用于摩擦发电机8上时，第一高分子聚合物绝缘层22与第二高分子聚合物绝缘层24产生形变，并且在它们接触界面的区域发生互相接触和摩擦。外力机械作用使得第一高分子聚合物绝缘层22与第二高分子聚合物绝缘层24发生相对滑动。该低程度摩擦所造成的结果是，由于第一高分子聚合物绝缘层22与第二高分子聚合物绝缘层24表面纳米级粗糙度（微纳凹凸结构25）的存在，等量但电性相反的静电荷在接触界面处生成并分布在第一高分子聚合物绝缘层22与第二高分子聚合物绝缘层24表面上，第二高分子聚合物绝缘层24（聚酯薄膜）表面主要带正电荷，而第一高分子聚合物绝缘层22（聚酰亚胺薄膜）表面主要带负电荷，这样就在接触界面处形成了一个称之为摩擦电势的偶极层，该偶极层在第一电极20和第二电极21间就形成一个内电势。由于聚合物膜本身是绝缘的， 所以感生电荷不会被迅速导走或中和。 

为了抵消内电势生成对整个系统的影响，第一电极20和第二电极21将分别感应出电性相反的自由电荷，而感应到的自由电荷在外电路导通的情况下将发生中和，通过负载进而形成外电流。当外力作用消失时，第一高分子聚合物绝缘层22与第二高分子聚合物绝缘层24由弯曲状态恢复到平整状态，这个过程中第一高分子聚合物绝缘层22与第二高分子聚合物绝缘层24再次发生相对滑动和摩擦，偶极层由于接触界面处电荷的中和而改变，内电势同时改变。内电势的改变将再次导致，第一电极20和第二电极21发生感应，产生与弯曲状态完全相反的自由电荷。自由电荷流经外电路负载时，再次形成与弯曲情况下相反的外电流。通过反复摩擦和恢复，就可以在外电路中形成周期性的交流电信号。 

在本实施例中，单独表征聚合物摩擦电发电机8的电输出性能。由于第一电极20和第二电极21间第一高分子聚合物绝缘层22与第二高分子聚合物绝缘层24的存在，摩擦电发电机8在I-V（电流-电压）的测量表现出典型的开路特征。使用周期振荡（0.33Hz和0.13%的形变）的步进电机使摩擦电发电机发生周期的弯曲和释放，摩擦电发电机的最大输出电压和电流信号分别达到了23V和1.2μA（0.22μA/cm²的电流密度）。 

将该摩擦电发电机8的第一电极20、第二电极21分别与整流器2连接，将整流器2的一个直流电极与电场电极6连接，另一个直流电极与人体皮肤4连接。如图7所示，在摩擦电发电机8的0.33Hz频率和0.13%的形变下，经过2s时间整流器2整流后，在电场电极6与人体皮肤4之间形成直流电场5，最大开路电压峰值23V，最大短路电流峰值1.2μA。该直流电场5能够驱使药物离子根据同性电荷相斥导入人体皮肤。 

实施例2 

本实施例提供另外一种摩擦电电场驱动药物离子导入的系统具体实施方式，不同于实施例1的是摩擦发电机8的结构不同。本实施例中摩擦发电机8是一个以高分子聚合物为基础的全透明结构。摩擦发电机8就像一个由两种不同聚合物片组成的三明治结构，两个聚合物片相互堆叠在一起，中间夹一 个居间薄膜。该摩擦发电机8包括依次放置的第一电极40，第一高分子聚合物绝缘层42，居间薄膜44，第二高分子聚合物绝缘层45和第二电极41。 

如图4所示，采用聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）作为第一高分子聚合物绝缘层42，同时采用聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）作为第二高分子聚合物绝缘层45。采用常规真空溅射技术在第一高分子聚合物绝缘层42的一个表面上形成用作第一电极40的铟锡氧化物（ITO）导电薄膜，在第二高分子聚合物绝缘层45的一个表面上形成用作第二电极41的铟锡氧化物（ITO）导电薄膜。 

与实施例1不同的是，在第一高分子聚合物绝缘层42与第二高分子聚合物绝缘层45之间设有居间薄膜44。该居间薄膜44为聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜，居间薄膜44的一个表面上设有规则的四棱锥型的微纳凹凸结构，居间薄膜44未设有微纳凹凸结构的表面与第二高分子聚合物绝缘层45粘贴。第一高分子聚合物绝缘层22的未形成第一电极40的表面与居间薄膜44的具有微纳凹凸结构的表面相对接触叠放，层间没有任何粘合物。 

当摩擦发电机8发生弯曲或受到外力摩擦或者超声振动时，居间薄膜44与第一高分子聚合物绝缘层22摩擦感应出电荷，感应电荷形成内电势，进一步在第一电极40和第二电极41上分别感应出电荷，连通外电路即可产生电流。 

如图5所示，该全透明发电机的制作方法如下。首先如图所示制作硅模板，4英寸<100>晶向的硅片用光刻的方法在表面做出规则的图形。做好图形的硅片用湿刻的工艺各向异性刻蚀，可以刻出凹形的四棱锥阵列结构，或者也可以用干刻的工艺各向同性刻蚀可以刻出凹形的立方体阵列结构。刻好之后的模板用丙酮和异丙醇清洗干净，然后所有的模板都在三甲基氯硅烷（Sigma Aldrich公司）的气氛中进行表面硅烷化的处理，处理好的硅模板待用。制作具有微纳凹凸结构表面的PDMS膜，首先将聚合PDMS用单体（Si(CH₃)₂Cl₂）和固化剂（Sylgard 184,Tow Corning）以10:1的质量比混合。然后将所得混合物涂覆于硅模板表面，经过真空脱气过程后，用旋转涂覆的方式将硅片表面多余的混合物去掉，形成一层薄薄的PDMS液体膜。将整个模板在85摄氏度的环境中固化1小时，之后一层均匀的具有特定微结构阵列 的PDMS膜就可以从模板上剥离。然后，将该膜固定在一片干净的镀有铟锡氧化物（ITO）导电层的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）绝缘层的未镀有导电层的表面上，固定的方法是用一层薄的未固化的PDMS层作为粘结层。经过固化后，PDMS膜就牢牢的固定于PET的绝缘层上。然后，再将另一镀有ITO的PET膜覆盖在PDMS层上，就形成一个类似三明治结构的摩擦发电机。摩擦发电机的顶部和底部都有透明的导电ITO电极（第一电极40和第二电极41）。摩擦发电机的两个短侧边缘用普通透明胶带粘合保证PET层和PDMS层在接触界面处有足够的接触面积。然后用银浆将两根铜导线分别固定于上下两片ITO电极上，至此整个柔性透明摩擦发电机制备完成。该发电机的有效尺寸统一固定在4.5cm×1.2cm,整个摩擦发电机的厚度大约是460μm。 

虽然本实施例使用的PDMS的微纳凹凸结构为四棱锥型，但是本领域技术人员应当理解其它形状的能够起到摩擦作用的微纳凹凸结构也在本发明的保护范围之内。图6中，提供了三种PDMS图形阵列制作过程，包括条纹状，立方体型和四棱锥型。这三种微纳凹凸结构的表面显微SEM图如图6a-c所示，每个PDMS的阵列单元大小被限制在约10微米，优选的，其尺度小到5微米。高分辨的放大倍数为5000倍的SEM照片表明，所有的微纳凹凸结构的阵列单元都是非常均匀和规则的，说明这是制备大尺度均匀塑性微纳凹凸结构的一个很有效的方法。更重要的是，每个四棱锥单元都有一个完整几何结构的锐利尖端，这将有利于其在发电过程中增加摩擦面积和提高摩擦发电机的电能输出效率。此外，制备好的PDMS薄膜具有很好的伸缩性和透明性。 

用一个线性电机马达以一定频率控制摩擦发电机的弯曲和释放（在0.33Hz的频率和0.13％的形变），具有四棱锥结构的摩擦发电机的最大输出电压和电流信号分别高达17V和1.7μA（0.31μA/cm²的电流密度），可以与那些以压电材料和复杂设计为基础的压电发电机相媲美。 

相比于平板薄膜摩擦发电机，有规则图形阵列的发电机的输出效率显著增加，电压提高约5倍，可以归因于两个主要因素：（1）具有微纳凹凸结构的薄膜的摩擦效应远远高于同等厚度的平板薄膜。一个均匀的粗糙表面具有较大的接触面积，可以在摩擦过程中产生更多的表面电荷。（2）具有微纳凹凸结构的薄膜在摩擦过程中其内电容的容量显著提高，这是由于空气空隙的 存在和有效介电常数的增加。当两片聚合物膜完全被粘合时，空气空隙的减少和摩擦性能的减弱会导致电能输出能力明显降低。因此，基于四棱锥或立方体结构PDMS膜的摩擦发电机与平板无微纳凹凸结构的摩擦发电机相比，其电能输出几乎提高了5-6倍。 

将该摩擦电发电机8的第一电极20、第二电极21分别与整流器2连接，将整流器2的一个直流电极与电场电极6连接，另一个直流电极与人体皮肤4连接。如图8所示，在摩擦电发电机8的0.33Hz频率和0.13%的形变下，经过2s时间整流器2整流后，在电场电极6与人体皮肤4之间形成直流电场5，最大开路电压峰值17V，最大短路电流峰值1.7μA。该直流电场5能够驱使药物离子根据同性电荷相斥导入人体皮肤。 

实施例3 

本实施例提供另外一种摩擦电电场驱动药物离子导入的系统具体实施方式，不同于实施例1的是摩擦发电机8的结构不同。也是如图4所示结构，不同的是第一高分子聚合物绝缘层42采用一个矩形的（4.5cm×1.2cm）聚酰亚胺薄膜（厚度125μm，杜邦500HN，Kapton），其一个表面通过溅射涂膜的方法镀有用作第一电极40的合金金属薄膜（厚度100nm，Au）；第一高分子聚合物绝缘层45也为矩形的（4.5cm×1.2cm）聚酰亚胺薄膜（厚度125μm，杜邦500HN，Kapton），并在其一个表面上通过溅射涂膜的方法镀有用作第二电极41的合金金属薄膜（厚度100nm，Au），居间薄膜44为柔性聚甲基丙烯酸甲酯（厚度50μm，PMMA），居间薄膜上设有规则的四棱锥型的微纳凹凸结构第一电极40和第二电极41，与电流表连接。测试结果为，最大输出电压和电流信号分别为12V和0.5μA（0.09μA/cm²的电流密度）。 

因此，在本发明提供的摩擦电促进药物离子导入的系统中，薄膜型的摩擦发电机在超声振动或者摩擦外力的作用下可在两个极板上产生一个交变电场，该交变电场经过整流器作用后可转变成为一个脉冲型直流静电场。因此，在电场电极与人体皮肤间就形成一个单向直流静电场，载体中的药物离子在静电场的驱动下可定向导入到人体皮肤中。本发明提供的摩擦电促进药物离子导入的系统，可根据不同离子的特性，有选择性的改变电场电极与人体皮 肤之间的电场方向。该系统可集成和反复使用，只需更换不同药物离子载体，即可适用于不同药物离子的吸收。 

Claims (14)

1.一种摩擦电电场驱动药物离子导入的系统，其特征在于，包括摩擦发电机、整流器、药物离子载体和电场电极，

所述摩擦发电机与整流器连接，

所述整流器包括两个直流电输出端，其中一个直流电输出端与电场电极连接，另一个直流电输出端用于与药物受体连接，以在电场电极与药物受体之间形成直流电场；

所述药物离子载体设置于直流电场中；

所述摩擦发电机为薄膜型，且隔着绝缘隔离层与电场电极平行设置；

所述摩擦发电机包括依次层叠的第一电极，第一高分子聚合物绝缘层，第二高分子聚合物绝缘层和第二电极，所述第一电极和第二电极为摩擦发电机电压和电流输出电极；其中，至少一个高分子聚合物绝缘层的未设置电极的表面上具有微纳凹凸结构。

2.根据权利要求1所述的摩擦电电场驱动药物离子导入的系统，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层的未设置第一电极的表面上具有微纳凹凸结构；所述第二高分子聚合物绝缘层的未设置第二电极的表面上具有微纳凹凸结构；所述第一高分子聚合物绝缘层的具有微纳凹凸结构的表面与第二高分子聚合物绝缘层的具有微纳凹凸结构的表面相对接触叠放。

3.根据权利要求1或2所述的摩擦电电场驱动药物离子导入的系统，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层与所述第二高分子聚合物绝缘层材质不同，且分别独立的选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜中的任意一种。

4.根据权利要求2所述的摩擦电电场驱动药物离子导入的系统，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层表面的微纳凹凸结构为纳米级至微米级的凹凸结构。

5.根据权利要求4所述的摩擦电电场驱动药物离子导入的系统，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层表面的微纳凹凸结构为50-300nm的凹凸结构。

6.根据权利要求1所述的摩擦电电场驱动药物离子导入的系统，其特征在于，所述第一电极和第二电极分别独立的选自铟锡氧化物、石墨烯电极、银纳米线膜，以及金、银、铂、铝、镍、铜、钛或它们的合金中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的摩擦电电场驱动药物离子导入的系统，其中，所述摩擦发电机，包括依次层叠的第一电极，第一高分子聚合物绝缘层，居间薄膜，第二高分子聚合物绝缘层和第二电极，

所述居间薄膜为高分子聚合物绝缘层，其面向第一高分子聚合物绝缘层或第二高分子聚合物绝缘层的表面上设有微纳凹凸结构；

所述第一电极和第二电极为摩擦发电机电压和电流输出电极。

8.根据权利要求7所述的摩擦电电场驱动药物离子导入的系统，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层与所述居间薄膜材质不同。

9.根据权利要求7或8所述的摩擦电电场驱动药物离子导入的系统，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层与居间薄膜为透明材料，分别独立的选自如下透明高聚物中的任意一种：聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯和液晶高分子聚合物。

10.根据权利要求9所述的摩擦电电场驱动药物离子导入的系统，其特征在于，所述第一电极和第二电极独立的选自铟锡氧化物、石墨烯电极和银纳米线膜中的任意一种。

11.根据权利要求7所述的摩擦电电场驱动药物离子导入的系统，其特征在于，所述居间薄膜表面的微纳凹凸结构为纳米级至微米级的凹凸结构。

12.根据权利要求11所述的摩擦电电场驱动药物离子导入的系统，其特征在于，所述居间薄膜表面的微纳凹凸结构为50-300nm的凹凸结构。

13.根据权利要求7或8所述的摩擦电电场驱动药物离子导入的系统，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层和居间薄膜分别独立的选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜中的任意一种。

14.根据权利要求13所述的摩擦电电场驱动药物离子导入的系统，其特征在于，所述第一电极和第二电极分别为金属薄膜，所述金属选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛或它们的合金中的任意一种。