CN109589463A - 一种堆叠型介电弹性体驱动的人工心脏 - Google Patents

Abstract

本发明属生物医学工程领域。本发明提供一种由堆叠型介电弹性体驱动的人工心脏，包括泵体单元、内置控能单元和外置控能单元，其中泵体单元为由堆叠型介电弹性体驱动器、弹力膜、单向阀和外壳组成。内置控能单元和外置控能单元为泵体单元提供调控信息和能量。本发明通过堆叠型介电弹性体在电场作用下产生的厚度位移为血液提供柔性搏动力，避免了机械血泵复杂的机械结构也避免了膜片型介电弹性体血泵输出力小、寿命短的问题，降低了人工心脏的能耗并显著减少了人工心脏的重量、噪音和体积，同时增加了人工心脏槙入的方便性、安全性和舒适性，输出的搏动血流起到了很好的仿生效果。

Description

一种堆叠型介电弹性体驱动的人工心脏

技术领域

本发明涉及生物医学工程领域，具体地涉及一种由堆叠型介电弹性体驱动的人工心脏。

背景技术

心力衰竭又称“心肌衰竭”(以下简称心衰)，是指心脏不能搏出身体组织代谢所需的血液量。流行病学资料显示，目前全球心力衰竭患者人数已达2250万，且每年仍以200万人的速度递增。据了解，我国现有心力衰竭患者约450万人，每年新发约20万人，约30％晚期心衰为双心室心衰。心脏移植是挽救晚期心衰患者生命的终极解决方案，但2016全年我国的心脏移植例数仅有368例。心脏供体源的数量远不能满足中国心脏移植的需求。人工心脏的研制对挽救心衰病人生命有重要意义。

人工心脏的研制已持续了半个世纪，经历了从气动人工心脏向电动人工心脏的发展。人工心脏的类型也五花八门，单电动人工心脏就有电机械推板型、电液压推板型、电液压隔膜型、电磁力型、以及非搏动血流电动人工心脏等多种类型。传统的人工心脏均使用电机作为驱动器，不仅体积大，易产生机械疲劳，而且能耗高。理想的人工心脏应具备：仿生血流、小型、质轻、安全耐用、低耗能、低噪音、全植入、使用舒适等特点。

介电弹性体是一种新型的高分子材料，是制造主动驱动器最有潜力的电活性聚合物材料。它具有超大变形、超快响应速度、高弹性能密度、良好的负载匹配性、高机电转化效率、超强的环境适应性、高疲劳寿命以及好的仿生性能等特点。介电弹性体可以提供的力重比可达100∶1，功率密度约为电磁驱动的70倍，且具有质轻、价廉、噪音小等优点，是目前最被关注的“人工肌肉”驱动材料，可应用于各种智能驱动器的设计。

介电弹性体驱动单元是由介电弹性体膜型材料与均匀覆盖其上下表面导电性良好的柔顺电极共同构成。当在柔顺电极上施以偏置电压，介电弹性体薄膜将在静电力作用下发生变形，即在厚度方向产生收缩，在薄膜平面内扩展延伸，从而呈现一种“电致伸缩”特性。利用介电弹性体膜型材料不同方向上的变形，可以制得厚度位移驱动器和平面位移驱动器。平面位移驱动器存在输出力小、寿命短等问题。厚度位移驱动器通过对介电弹性体驱动单元的多层堆叠来满足输出位移的要求。堆叠型驱动器内部没有空隙，结构紧凑、体积小、质量轻，介电弹性体薄膜不容易被破坏、驱动器寿命更长，是制造人工心脏的理想驱动形式。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种堆叠型介电弹性体驱动的人工心脏。

本发明解决了传统人工心脏用电机或者磁力泵等机械结构作为动力输出模式所带来的结构复杂、故障率高、使用寿命短、能耗高、体积大等问题，也解决了膜片型介电弹性体人工心脏输出力小、寿命短的问题。

本发明所提供的人工心脏，包括：泵体单元、内置控能单元和外置控能单元，其中泵体单元由堆叠型介电弹性体驱动器、弹力膜、单向阀和外壳组成。内置控能单元为泵体单元提供可变频率和波形的电流并与外置控能单元通过无线传输进行信息交换。外置控能单元通过无线传输调控内置控能单元并为其充电。本发明通过堆叠型介电弹性复合体在电场下产生的厚度位移为血液提供柔性搏动力。

作为本发明的进一步改进，泵体单元的堆叠型介电弹性体驱动器是介电弹性体驱动单元多层堆叠而成的结构体，堆叠型介电弹性体驱动器安装在壳体内并且电导线引出的一端与壳体紧密固定。

作为本发明的进一步改进，泵体单元内的堆叠型介电弹性体驱动器形状可以是半球形、锥体形、圆柱形或者管状，堆叠型介电弹性体驱动器形状与外壳内空间相适应。

作为本发明的进一步改进，泵体单元内的弹力膜是高弹性、耐疲劳、组织相容性好的薄膜。泵体单元内的弹力膜包被堆叠型介电弹性体驱动器使其与血液隔离开来。

作为本发明的进一步改进，泵体单元的外壳设置有血流进口和出口，血流进口和出口内设置有单向阀，单向阀控制血液从血流进口进入泵体内，从血流出口流出泵体外。

作为本发明的进一步改进，泵体单元的堆叠型介电弹性体驱动器的正负极电导线穿过外壳体的壁引出。

作为本发明的进一步改进，内置控能单元还可以安装在泵体单元的底端与泵体单元组成复合体。

作为本发明的进一步改进，本发明的泵体单元还可以用作体外循环的血泵。

作为本发明的进一步改进，本发明可以用2个泵体单元分别独立代替生物体的右心室和左心室，内置控能单元应能同时为2个泵体单元提供能量并能协调2个泵体单元的动力输出。

附图说明

图1是本发明一种堆叠型介电弹性体驱动的人工心脏模拟心脏舒张时的剖面示意图

图2是本发明一种堆叠型介电弹性体驱动的人工心脏模拟心脏收缩时的剖面示意图

图3是本发明一种堆叠型介电弹性体驱动的人工心脏的整体结构框图

具体实施方案

下文结合附图标识对本发明的具体实施方式进行描述。

本发明提供了一种堆叠型介电弹性体驱动的人工心脏，包括：泵体单元1、内置控能单元2和外置控能单元3，其中泵体单元1由堆叠型介电弹性体驱动器17、弹力膜16、单向阀13、14和外壳15组成。内置控能单元2为泵体单元提供可变频率和波形的电流并与外置控能单元3通过无线传输进行信息交换。外置控能单元3通过无线传输调控内置控能单元2并为其充电。

堆叠型介电弹性体驱动器17是由介电弹性体驱动单元多层堆叠而成的柱状结构体，所述介电弹性体驱动单元是由介电弹性体膜型材料与均匀覆盖其上下表面导电性良好的柔顺电极共同构成。柔顺电极是一种可以随介电弹性材料面积变化而发生相应变化的导电材料，如：用炭黑作为填料制成的粉末电极、油脂电极和硅橡胶电极等等。通过对介电弹性体驱动单元多层堆叠制作成能满足需要的厚度位移驱动器，其内部没有空隙、结构紧凑、体积小、质量轻、介电弹性体薄膜不暴露在外部，所以不容易被破坏，寿命更长。堆叠型介电弹性驱动器可以根据需要加工成不同形状，如：半球形、锥体形、圆柱形或者中空管形，所以能按照不同体型的人群制作不同大小和形状的泵体单元1。

堆叠型介电弹性体驱动器17的一端应紧密固定在外壳15的内壁，其电源线应穿过外壳15的壁引出。

堆叠型介电弹性体驱动器17通电前和通电后体积变化的差值应该达到人体心脏每搏输出量60ml～70ml的要求。

弹力膜16是高弹性、耐疲劳、组织相容性好的薄膜。泵体单元1内的弹力膜16包被在堆叠型介电弹性体驱动器17外表面，使其与血液隔离开来。弹力膜16还可以根据需要进行抗血液凝固的技术处理，如涂布缓释抗凝药物和设置流体导引线，使血液不易在其表面形成凝血块。

泵体单元1的外壳15应用高弹性模量并具有组织相容性好的金属或者塑料等材料制作。外壳15的形状和大小应能适应生物体内的移植空间，还应与堆叠型介电弹性体驱动器17的形状相互适应。外壳15的形状可以是不规则形。

泵体单元1的外壳设置有血流进口11和血流出口12，血流的进口11和生物体心脏的房室瓣环相连接，血流的出口12和生物体心脏的动脉瓣环相连接接。

泵体单元1的外壳15内壁应进行抗凝血处理，如涂布抗凝血药物、设置血流导引线、涂布纳米材料、进行能诱导内皮细胞定植的处理等等。

单向阀13、14可以用金属、陶瓷、塑料、橡胶、生物材料等多种材料制作，制作材料和形状可以参考现在临床上所用的心脏人工瓣膜。

单向阀13、14分别安装在外壳15的血流出口11和进口12内，堆叠型介电弹性体驱动器17收缩时体积缩小，血流入口11的单向阀14开放，血流出口12的单向阀13关闭，相反，堆叠型介电弹性体驱动器17舒张时体积增大，血流入口11单向阀14关闭，血流出口12单向阀13开放，这一过程与生物体心室作功时心脏瓣膜的活动过程相类似。

所述内置控能单元2内含有无线充电电池、传感器、控制器；所述无线充电电池是能量高密度电池，能接受外置控能单元3的无线充电，目前有锂电池、锌银电池、石墨烯电池等等；所述传感器用以监测心脏内血液中的的含氧量、血液流量和血流压力；所述控制器能根据传感器数据反馈控制电池能量输出，并能接受外置控能单元3的无线信号指今。

所述内置控能单元2表面包被有组织相容性好的材料，可以放置于生物体的皮下或者胸腔、腹腔内，泵体单元1通过电导线18与内置控能单元2在生物体内相连接。

所述外置控能单元3内含有无线充电器、接收器、控制器；所述无线充电器是能将电流转化为电磁波给内置控能单元2充电的装置；所述接收器能接收内置控能单元2发出的关于电池电量、心室压力、血氧含量等无线电信息并将信息提供给控制器；所述控制器能通过无线电波将医学数据指今传给内置控能单元2用以调整泵体单元1的动力输出参数。

本发明提供的一种堆叠型介电弹性体驱动的人工心脏既可以单独代替左心或者右心功能，也可以用2个泵体单元1分别代替左心功能和右心功能。2个泵体单元1共同在内置控能单元2和外置控能单元3的协调控制下作为全人工心脏。

本发明提供的一种堆叠型介电弹性体驱动的人工心脏也可以作为心室辅助装置。

本发明提供的一种堆叠型介电弹性体驱动的人工心脏提供的血流为仿生的搏动血流，其搏动波型可以通过控能单元2、3进行调整。

Claims (9)

1.一种堆叠型介电弹性体驱动的人工心脏，其特征在于：所述的一种堆叠型介电弹性体驱动的人工心脏可放置于生物体的体内，所述的一种堆叠型介电弹性体驱动的人工心脏包括1个或者2个泵体单元、1个内置控能单元和1个外置控能单元，其中：

所述的泵体单元可以放置于生物体的体内为生物体提供柔性搏动血流；所述的生物体的体内应为生物体的胸腔内或者腹腔内；所述的柔性搏动血流应与生物体自然血流的波形和频率相对应；

所述的内置控能单元是为1个或者同时为2个泵体单元提供能量，并与外置控能单元通过无线传输进行信息交换；所述的内置控能单元输出可变频率和波形的交变电压用于控制每个泵体单元输出动力；所述的交变电压频率与生物体心跳频率相对应；所述的信息交换为向外置控能单元输出电源电量参数、泵体做功信息并接收外置控能单元发出的无线信号指令；

所述的外置控能单元通过无线传输调控内置控能单元并为其通过电磁场充电，所述的外置控能单元应能接收内置控能单元发出的无线信号。

2.根据权利要求1所述的一种堆叠型介电弹性体驱动的人工心脏，其特征在于：内置控能单元应置于生物体的体内，所述的生物体的体内是指生物体体壁皮下、体腔的壁层胸膜或壁层腹膜外。

3.根据权利要求1-2所述的一种堆叠型介电弹性体驱动的人工心脏，其特征在于：泵体单元与内置控能单元在生物体内通过电导线连接。

4.根据权利要求1-3所述的一种堆叠型介电弹性体驱动的人工心脏，其特征在于：泵体单元是由1个介电弹性体驱动器、弹力膜、2个单向阀、和外壳组成，其中：

所述的介电弹性体驱动器是由介电弹性体驱动单元堆叠组成的结构体；所述的介电弹性体驱动单元是由介电弹性体膜型材料与均匀覆盖其上下表面导电性良好的柔顺电极共同构成；所述的结构体，其形状可以是半球形、锥体形、柱状或中空管形；

所述的弹力膜是一种高弹性的柔软薄膜材料；所述的弹力膜应覆盖包被于介电弹性体驱动器表面；所述的弹性薄膜应能适应介电弹性体驱动器的体积变化并起到隔离血液与介电弹性体驱动器的作用；

所述的单向阀可控制血液单方向流动，所述的单向阀可由金属和非金属材料制作而成；

所述的外壳设置有血流进口和出口，所述的外壳用于固定介电弹性体驱动器；所述的血流进口和出口设置有单向阀。

5.根据权利要求1-4所述的一种堆叠型介电弹性体驱动的人工心脏，其特征在于：泵体单元内设置的二个单向阀控流方向一置，保证血液只从泵体单元的入口进入泵体并从泵体单元的出口流出。

6.根据权利要求1-5所述的一种堆叠型介电弹性体驱动的人工心脏，其特征在于：泵体单元的介电弹性体驱动器的一端与外壳紧密固定。

7.根据权利要求1-6所述的一种堆叠型介电弹性体驱动的人工心脏，其特征在于：可以用2个泵体单元分别独立代替生物体的右心室和左心室，内置控能单元应能同时为2个泵体单元提供能量并能协调2个泵体单元的动力输出。

8.根据权利要求1-8所述的一种堆叠型介电弹性体驱动的人工心脏，其特征在于：泵体单元还可以用作左心辅助泵和体外循环用的血泵。

9.根据权利要求1-8所述的一种堆叠型介电弹性体驱动的人工心脏，其特征在于：泵体单元的血流入口与生物体心脏的房室瓣环相连接，泵体单元的血流出口与生物体心脏的动脉瓣环相连接。