CN107961420A - 一种自驱动药物注射装置和注射方法 - Google Patents

一种自驱动药物注射装置和注射方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自驱动药液注射装置，包括：摩擦纳米发电机和电化学药液泵，其中，所述摩擦纳米发电机用于在机械能的作用下产生电能，为所述电化学药液泵提供电源；所述电化学药液泵用于产生电化学反应并产生气体使气压升高，驱动电化学药液泵中的药液流出，注射在需要治疗的部位。采用植入式电化学药液泵可以自主控制给药的时间和计量，并且摆脱了对电池的依赖，增加了此类仪器的使用寿命，消除了植入电池进入人体带来的风险。

Description

一种自驱动药物注射装置和注射方法
技术领域
本发明涉及药物注射仪器，特别涉及一种将人体的运动、震动、摩擦等转化为电能的药物注射仪器和注射方法。
背景技术
药物注射是目前最常见的疾病治疗手段，传统方法使用针头注射器将药液输入病灶，但是频繁使用传统注射器会对人体组织造成伤害。尤其在眼睛相关疾病的治疗中，由于眼球组织很难愈合频繁注射产生的创伤，许多患者不得不选择外用眼药水进行治疗。大部分眼药水因为无法通过眼球的生理屏障而不能到达病灶。因此，外用眼药水需要患者频繁、大量的使用药物，增加了治疗的操作难度。
利用植入式药物注射仪器可以将药液直接输送到眼球内部组织，提高了药物输送效率，使用此仪器只需要进行一次微创手术便可完成植入，避免了对眼球组织的频繁伤害。植入式药物注射仪器可根据需求控制注射的时间和药量，使治疗自动化。但是，植入式药物注射仪器需要电能驱动，向植入式药物注射仪器供能一直是一个重大问题。为满足植入需求，仪器必须小型化，适用于此类仪器的电池也只能拥有很小的体积，导致此类电池只能储存很少的电能，当电量耗尽后，则必须通过手术更换。这个问题极大的限制了植入式仪器的使用。因此，针对植入式药物注射仪器开发一种不依赖电池的供电方法一直是研究热点之一。目前，已经报道的解决方法为基于电感耦合的无线供电方案。这种方案需要配备复杂的金属线圈和电磁波信号发生器，并且对供电距离与范围有着苛刻的要求，导致了这种技术很难被实际应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种不依赖电池供电的自驱动药物注射装置。
为了实现上述目的，本发明提供一种自驱动药液注射装置，包括：摩擦纳米发电机和电化学药液泵，其中，
所述摩擦纳米发电机用于在机械能的作用下产生电能，为所述电化学药液泵提供电源；
所述电化学药液泵用于产生电化学反应并产生气体使气压升高，驱动电化学药液泵中的药液流出，注射在需要治疗的部位。
优选的，所述摩擦纳米发电机为独立式摩擦纳米发电机、滑动式摩擦纳米发电机、接触分离式摩擦纳米发电机或旋转式摩擦纳米发电机。
优选的，所述摩擦纳米发电机为旋转式摩擦纳米发电机，从下往上包括一层固定电极阵列、一层高分子摩擦起电材料和一层移动摩擦电极阵列，其中，高分子摩擦起电材料固定在固定电极阵列上，移动摩擦电极阵列可与高分子摩擦起电材料互相相对转动。
优选的，所述电化学药液泵包括电化学泵、药液仓和导管，以及设置在药液仓中的药液，其中，所述电化学泵设置在所述药液仓内，所述导管与所述药液仓连通。
优选的，所述电化学泵由一组正负金属电极线阵列构成，正负金属电极线阵列呈交错分布在衬底基片上。
优选的，所述药液中包含水。
优选的，所述电化学泵的电极线阵列的电极线之间的间隔为40微米。
优选的，所述电化学药液泵的药液仓和导管采用柔性、生物兼容性材料。
优选的，所述电化学药液泵植入在需要治疗部位附近。
优选的，所述电化学药液泵植入在眼部；所述导管所述电化学药液泵的药液仓中的药液为眼药。
优选的，所述摩擦纳米发电机为柔性发电机，植入在生物体的可运动部位。
优选的，还包括整流器，用于将所述摩擦纳米发电机产生电交流电信号整流为直流信号提供给电化学药液泵。
相应的，本发明还提供一种自驱动药液注射方法，摩擦纳米发电机在机械能的作用下产生电能，为电化学药液泵中的电化学泵提供电源，在电化学药液泵中进行电化学反应并产生气体使气压升高，驱动电化学药液泵中的药液流出注射在需要治疗的部位。
优选的，将所述电化学药液泵植入在需要治疗部位附近。
优选的，将所述摩擦纳米发电机植入在生物体可运动部位。
通过上述技术方案，本发明的有益效果是：
由摩擦纳米发电机为电化学药液泵提供电化学反应的电源，可以将植入式电化学泵与摩擦纳米发电机结合，通过摩擦纳米发电机将人体的动能转化为电能以驱动电化学药液泵释放药液，可以自主控制给药的时间和计量。另外，采用此种供能方案，植入式药物注射治疗仪器摆脱了对电池的依赖，增加了此类仪器的使用寿命，消除了植入电池进入人体带来的风险。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明的自驱动药液注射装置在眼部疾病治疗应用时的示意图；
图2为转动结构的摩擦纳米发电机的结构示意图；
图3为电化学药液泵的结构示意图；图4为电化学泵的机构示意图；
图5和图6为本发明的自驱动药液注射装置的工作原理示意图；
图7为转动式摩擦纳米发电机转速与药液注射速度的关系曲线图；
图8为摩擦纳米发电机在人手驱动下的电流输出波形。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供自驱动药物注射装置包括摩擦纳米发电机和电化学药液泵。其中，摩擦纳米发电机在外界机械能的作用下产生电能，为电化学药液泵中的电化学泵提供电源，在电化学药液泵中产生电化学反应(如水电解)使气压升高，驱动电化学药液泵中的药液流出注射在需要治疗的部位。
以治疗眼部疾病为例，参见图1，可以将电化学药液泵放置在需要给药部位，例如眼球附近，通过手术将导管通过导管植入口植入眼前房，可将电化学药液泵中的药液输送至眼前房部位。
摩擦纳米发电机可以采用现有的任意结构的摩擦纳米发电机，例如独立式摩擦纳米发电机、滑动式摩擦纳米发电机、接触分离式摩擦纳米发电机或旋转式摩擦纳米发电机等。这里采用滑动式特别是圆盘转动式的摩擦纳米发电机，结构参见图2，从下往上包括一层固定电极阵列13、一层高分子摩擦起电材料12和一层移动摩擦电极阵列11。高分子摩擦起电材料12固定在固定电极阵列12上，移动摩擦电极阵列11可与高分子摩擦起电材料12互相相对转动。固定电极阵列13包括两组固定电极单元，每组固定电极单元均为扇形，在圆盘状支撑物衬底上等距分布，两组固定电极单元互相交替排列，每组固定电极单元电连接形成一个输出端。移动摩擦电极阵列13同样的包括多个移动电极单元，其中移动电极单元为扇形，在另一圆盘状支撑物上等距分布。
固定电极阵列和移动摩擦电极阵列的电极单元可由铜、铝等金属或者导电氧化物构成。高分子摩擦起电材料选用如聚四氟乙烯(PTFE)，聚酰亚胺(PI)，聚氯乙烯(PVC)等得电子能力较强的材料。
电化学药液泵的典型结构参见图3，包括电化学泵21、硅胶药液仓22和硅胶细长导管23，以及设置在药液仓中的药液。电化学泵设置在药液仓内，硅胶细长导管与药液仓连通。电化学泵由一组正负金属电极线阵列31,32构成，参见图4，电极线阵列呈交错分布在衬底基片(如硅片)上，相邻电极线之间的间隔为40微米。金属电极线可选用金、铂等不活泼金属材料。正负金属电极线阵列31,32与摩擦纳米发电机通过细铜导线相连。硅胶药液仓可以呈圆柱形，截面为直径为10毫米的圆形，高2毫米，药液仓壁厚0.5毫米。硅胶细长导管长100毫米，内径300微米，壁厚200微米。硅胶材料选用生物兼容性高、柔软、可塑性高的聚二甲基矽氧烷(PDMS)。硅胶材料生物兼容性高适宜使用在植入式情况下，对于不需要植入情况下，还可以使用其他材料的药液仓和导管。
本发明提供的自驱动药物注射装置的工作原理参见图5中a至d图：当摩擦纳米发电机的移动摩擦电极阵列11与高分子摩擦起电材料12互相接触并相对转动，电子的分离与转移使得移动摩擦电极阵列11的移动电极单元带正电，高分子摩擦起电材料带负电。当带正电移动摩擦电极阵列11的移动电极单元滑到固定电极阵列13的固定电极单元上方，固定电极单元上生成负电荷，此时，带负电的固定电极单元与另一带正电的固定电极单元之间产生电势差。因此，连接在两组固定电极单元之间(摩擦纳米发电机的两个输出端)的形成电流，通过整流器为电化学泵(图中用“泵”代表)提供电源，用于驱动电化学药液泵工作。移动摩擦电极阵列11与高分子摩擦起电材料12连续转动摩擦，在固定电极阵列13的两个输出端输出交流电信号。转动速度越快，输电电流越大。
参见图6，电化学药液泵的工作原理为：摩擦纳米发电机生成的交流电被整流器整流为直流电流流过电化学药液泵中的电化学泵的金属电极，浸泡在药液中的电极开始启动电解水反应，在正极上生成氧气，在负极上生成氢气。生成的气体累积在药液仓中使得仓内气压升高，产生的压力将药液挤出药液仓。最后，药液通过细长导管流出至需要给药治疗的需要治疗部位。
图4中结构的电化学泵，将两个电极设置为叉指状，能够有效增大与药液的接触面积，是一种优选的方式。在其他实施方式中，注射装置中电化学泵的结构并不做限定，能够发生电化学反应的结构均可以采用，即具有满足电化学反应的正极和负极即可。
此装置的工作效果：电化学药液泵的注射速度与其通过的电流大小成正比。而摩擦纳米发电机产生的电流大小与其转动速度成正比。因此，此装置的药物注射速度与转动速度成正比。为验证此结论，我们使用电动机带动摩擦纳米发电机的移动摩擦电极阵列11进行摩擦，电动机转速越快，摩擦纳米发电机的转动速度越高。在不同的电动机转速下，药液注射速度测量结果如图7所示。采用此种供能方案，植入式的药物注射治疗仪器摆脱了对电池的依赖，增加了此类仪器的使用寿命，消除了植入电池进入人体带来的风险。
自驱动药液注射装置在治疗眼部疾病方面的使用，可以通过微创手术，将电化学药液泵的细长导管通过巩膜开口导入到眼前房(图1)。通过人手操作仪器中的摩擦纳米发电机产生摩擦向电化学药液泵供电，摩擦纳米发电机由人手驱动下生成的电流如图8所示，注射装置开始工作并将药液注射至眼球前房。
相应的，本发明还提供一种自驱动药液注射方法，摩擦纳米发电机在外界或者植入部位机械能的作用下产生电能，为电化学药液泵中的电化学泵的电极提供电源，在电化学药液泵中进行电化学反应并产生气体使气压升高，驱动电化学药液泵中的药液流出注射在需要治疗的部位。对于药液中有水的情况，摩擦纳米发电机提供的交流电经过整流后提供给电化学药液泵，水在两个电极上电解为氢气和氧气，增大了电化学药液泵中的气压，驱动药液通过导管流出。
本发明提供的自驱动药液注射装置，除了可以植入眼部进行治疗外，也可被植入生物体如人体或佩戴在器官表面，作为药物注射装置。上述实施例为眼药注射，但并不限定本发明装置的使用范围。本发明也可用于对植入式药物仪器有需求的其他疾病治疗中，比如癌症、糖尿病等。
本发明的自驱动药液注射装置中，使用的摩擦纳米发电机并不限定为上述转动模式的摩擦纳米发电机，具体发电机的结构和材料，均可以采用现有的各类结构的摩擦纳米发电机，只要可以将外加的机械能转变为电能的发电装置均可以。
摩擦纳米发电机也可以为植入式，可以采用现有的封装完好的摩擦纳米发电机，例如柔性的接触分离的摩擦纳米发电机，植入在需要治疗部位附近，利用生物体的可运动部位(如膝部、肘部等部位)的活动机械能转变为电能，为植入在需要治疗部位附近的电化学药液泵提供电源。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。例如，各部件的形状、材质和尺寸的变化。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (15)

1.一种自驱动药液注射装置，其特征在于，包括：摩擦纳米发电机和电化学药液泵，其中，
所述摩擦纳米发电机用于在机械能的作用下产生电能，为所述电化学药液泵提供电源；
所述电化学药液泵用于产生电化学反应并产生气体使气压升高，驱动电化学药液泵中的药液流出，注射在需要治疗的部位。
2.根据权利要求1所述的注射装置，其特征在于，所述摩擦纳米发电机为独立式摩擦纳米发电机、滑动式摩擦纳米发电机、接触分离式摩擦纳米发电机或旋转式摩擦纳米发电机。
3.根据权利要求2所述的注射装置，其特征在于，所述摩擦纳米发电机为旋转式摩擦纳米发电机，从下往上包括一层固定电极阵列、一层高分子摩擦起电材料和一层移动摩擦电极阵列，其中，高分子摩擦起电材料固定在固定电极阵列上，移动摩擦电极阵列可与高分子摩擦起电材料互相相对转动。
4.根据权利要求1所述的注射装置，其特征在于，所述电化学药液泵包括电化学泵、药液仓和导管，以及设置在药液仓中的药液，其中，所述电化学泵设置在所述药液仓内，所述导管与所述药液仓连通。
5.根据权利要求4所述的注射装置，其特征在于，所述电化学泵由一组正负金属电极线阵列构成，正负金属电极线阵列呈交错分布在衬底基片上。
6.根据权利要求4所述的注射装置，其特征在于，所述药液中包含水。
7.根据权利要求5所述的注射装置，其特征在于，所述电化学泵的电极线阵列的电极线之间的间隔为40微米。
8.根据权利要求4-7任一项中所述的注射装置，其特征在于，所述电化学药液泵的药液仓和导管采用柔性、生物兼容性材料。
9.根据权利要求1-8任一项中所述的注射装置，其特征在于，所述电化学药液泵植入在需要治疗部位附近。
10.根据权利要求8所述的注射装置，其特征在于，所述电化学药液泵植入在眼部；所述导管所述电化学药液泵的药液仓中的药液为眼药。
11.根据权利要求9所述的注射装置，其特征在于，所述摩擦纳米发电机为柔性发电机，植入在生物体的可运动部位。
12.根据权利要求1-11任一项中所述的注射装置，其特征在于，还包括整流器，用于将所述摩擦纳米发电机产生的电交流电信号整流为直流信号提供给电化学药液泵。
13.一种自驱动药液注射方法，其特征在于，摩擦纳米发电机在机械能的作用下产生电能，为电化学药液泵中的电化学泵提供电源，在电化学药液泵中进行电化学反应并产生气体使气压升高，驱动电化学药液泵中的药液流出注射在需要治疗的部位。
14.根据权利要求13所述的注射方法，其特征在于，将所述电化学药液泵植入在需要治疗部位附近。
15.根据权利要求14所述的注射方法，其特征在于，将所述摩擦纳米发电机植入在生物体可运动部位。
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