CN109603004A - 一种自驱动电刺激系统、护创胶布以及癌细胞抑制胶囊 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种自驱动电刺激系统、护创胶布、癌细胞抑制胶囊以及便携式电刺激系统。该自驱动电刺激系统包括：摩擦纳米发电机，用于将外部机械能转化为电能；细胞培养基，包括待刺激细胞，所述细胞培养基通过电极连接在具有所述摩擦纳米发电机的电路中；以及变阻器，接在所述电路中，用于通过调节电阻的大小来调节所述电路中的电流大小，从而促进或抑制所述待刺激细胞的增殖和迁移。本发明方案，在10‑75μA的电流刺激下，将摩擦纳米发电机的输出应用于小鼠纤维母细胞，在伤口愈合过程中，摩擦纳米发电机显著地增强了小鼠纤维母细胞的增殖和跨越划痕的迁移。还可以将大于75μA或者大于100μA的电流刺激应用在抑制所述待刺激细胞的增殖和迁移上。
Description
技术领域
本发明涉及生物医学技术领域，尤其涉及一种自驱动电刺激系统、护创胶布、癌细胞抑制胶囊以及便携式电刺激系统。
背景技术
生物电现象是生命活动的基本属性。生物电信号会出现在生物体的所有生命活动中。例如，在神经管的发育过程中、在上皮细胞的损伤部位以及肿瘤细胞的表面都可以观察到电势差。由此形成的内源性生物电场不仅在生物形态发生和生长中起着重要作用，而且还参与了伤口愈合、组织再生等机体的重要病理过程。
因此，研究电刺激尤其是刺激细胞的部分对生物医学的发展具有重要意义。与化学刺激法和机械信号的方法进行比较，电刺激法在许多方面具有技术性优势，如损害少、易操作和参数可控等。除上述优势外，更值得一提的是，机体的免疫反应在整个过程中不会被刺激。此外，电刺激法在定位诱导方面也存在良好的性能，在与其他治疗方法相结合方面同样具有很强的可行性。
然而，在目前的临床医学或实验研究中使用的电刺激信号输出装置均为商用的电子刺激器。这种类型的设备通常很昂贵且需要专业操作。在伤口修复愈合的实际应用中，另一个紧迫的问题是电子刺激器需要通过电源线连接外部电源，这会导致设备由于体积过大而不便携带或移动。与此同时，使用电子刺激器进行电刺激存在安全风险。因此，具有小型化、低成本、方便便携、自供电、稳定等特点的电刺激输出装置更能满足于当今个性化医疗服务应用领域。
发明内容
本发明的一个目的是要解决现有技术中用于伤口修复愈合的实际应用中，设备体积过大而不便于携带或移动的技术问题。
本发明的另一个目的是要提供一种自供电且成本较低的电刺激系统。
本发明的又一个目的是要提供一种能够促进伤口快速愈合的护创胶布。
本发明的再一个目的是要提供一种能够直接或间接地应用在癌细胞扩散上的胶囊。
特别地，本发明提供了一种自驱动电刺激系统，包括：
摩擦纳米发电机，用于将外部机械能转化为电能；
细胞培养基，包括待刺激细胞，所述细胞培养基通过电极连接在具有所述摩擦纳米发电机的电路中；以及
变阻器，接在所述电路中，用于通过调节电阻的大小来调节所述电路中的电流大小，从而促进或抑制所述待刺激细胞的增殖和迁移。
可选地，所述电路中的所述电流在范围在10-75μA的任一值时促进所述待刺激细胞的增殖和迁移。
可选地，所述电路中的所述电流在大于75μA的任一值时抑制所述待刺激细胞的增殖和迁移。
可选地，所述电路中的所述电流在范围在大于100μA的任一值时抑制所述待刺激细胞的增殖和迁移。
可选地，所述细胞培养基还包括胎牛血清、青霉素钠和链霉素。
可选地，所述胎牛血清的体积比为5-15％，所述青霉素钠的浓度为50-150U/ml，所述链霉素的浓度为50-200μg/ml。
特别地，本发明还提供了一种护创胶布，包括具有黏性的胶带部和用于促进创面愈合的创面促愈部，所述创面促愈部包括：
摩擦纳米发电机，用于将外部机械能转化为电能；
变阻器，接在具有所述摩擦纳米发电机的电路中，用于通过调节电阻的大小将所述电路中的电流调节至范围在10-75μA的任一值，从而促进所述创面的愈合。
特别地，本发明还提供了一种癌细胞抑制胶囊，包括空心胶囊本体和癌细胞抑制器件，所述空心胶囊本体具有导电性，所述癌细胞抑制器件设置在所述空心胶囊本体内，所述癌细胞抑制器件包括：
摩擦纳米发电机，用于将外部机械能转化为电能；
变阻器，接在具有所述摩擦纳米发电机的电路中，用于通过调节电阻的大小将所述电路中的电流调节至范围在大于75μA的任一值，从而抑制所述癌细胞的增殖和迁移。
可选地，所述变阻器设置成将所述电路中的电流调节至范围在大于100μA的任一值。
特别地，本发明还提供了一种便携式电刺激系统，设置成能与细胞接触，包括：
摩擦纳米发电机，用于将外部机械能转化为电能；
变阻器，接在具有所述摩擦纳米发电机的电路中，用于通过调节电阻的大小来调节所述电路中的电流大小，从而促进所述细胞的增殖和迁移。
本发明方案，旋转轮盘状的摩擦纳米发电机粗糙的表面通过旋转摩擦起电可以提供更大、更稳定的电输出。并且，在10-75μA的电流刺激下，将摩擦纳米发电机的输出应用于小鼠纤维母细胞，在伤口愈合过程中，摩擦纳米发电机显著地增强了小鼠纤维母细胞的增殖和跨越划痕的迁移。还可以将大于75μA或者大于100μA的电流刺激应用在抑制所述待刺激细胞的增殖和迁移上。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例的自驱动电刺激系统的示意性原理图；
图2是根据本发明一个实施例的摩擦纳米发电机的示意性结构图；
图3是根据本发明一个实施例的不同转速下摩擦纳米发电机的开路电压以及短路电流与时间之间的关系图；
图4是根据本发明一个实施例在转速为120转/秒下的不同负载电阻的电流输出；
图5是不同摩擦纳米发电机输出电流下的促进率的变化曲线图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明一个实施例的自驱动电刺激系统的示意性原理图。如图1所示，该自驱动电刺激系统包括摩擦纳米发电机10、细胞培养基20以及变阻器30。
图2示出了根据本发明一个实施例的摩擦纳米发电机10的示意性结构图。如图2所示，该摩擦纳米发电机10可以为旋转轮盘状摩擦纳米发电机10。该摩擦纳米发电机10包括转盘11、定盘12和粘附在定盘12上的摩擦层13。该转盘11和定盘12均为印刷电路板，该印刷电路板由硬玻璃环氧树脂制成。并且，该转盘11和定盘12均以亚克力板作为支撑基底，其中，亚克力板的直径例如可以为80mm、100mm、150mm或184mm，也可以为80-200mm之间任一其他数值，亚力克板的厚度例如可以为1mm、3mm、5mm或10mm，也可以为1-10mm之间任一其他数值，从而可以在保证发出足够的电能外最大限定地减小摩擦纳米发电机10的尺寸。转盘11表面的金属电极由放射状阵列扇区组成，每个扇区间隔角为1.5°，共分为120份。定盘12表面的金属电极层由两部分网络组成，且两部分网络由精细的沟槽分离，每一个电极网络都是呈放射状阵列扇区状，相隔扇区相互连接，相邻扇区断开，每个扇形角度为1.5°。摩擦层13的材料为单面粘性的聚四氟乙烯膜。可以将该聚四氟乙烯薄膜粘贴在定盘12上。在粘贴的过程中尽量保持表面平整且无气泡。该摩擦纳米发电机10发电的原理是，在转盘11和定盘12相对转动的过程中，由于摩擦起电，定盘12的两个电极分别感应出不同的电荷，形成电势差，从而产生电流。
该变阻器30可以选择ZX21g型旋转式直流电阻箱，该ZX21型旋转式电阻箱为六开关串联而成的多值电阻器，每个十进电阻盘由五个电阻元件组成，能转换自0-9之间的任何值，整个电阻器能在0～9999.9Ω范围内，作最小步进为0.1Ω的转换，电阻箱残余电阻：(30±5)mΩ，供直流电路中作可调节阻值之用。该变阻器30接在具有摩擦纳米发电机10的电路中，用于通过调节电阻的大小来调节电路中的电流大小，从而促进或抑制待刺激细胞的增殖和迁移。
该细胞培养基20放置在容器如培养皿中。该细胞培养基20中具有待刺激细胞如小鼠纤维母细胞。除待刺激细胞外，该培养皿中还加入了胎牛血清、青霉素钠和链霉素。其中，胎牛血清的体积比为5％、10％或15％，也可以为5-15％中任一其他数值。青霉素钠的浓度为50μg/ml、100μg/ml或150μg/ml，也可以为50-150μg/ml中任一其他数值。链霉素的浓度为50μg/ml、100μg/ml、150μg/ml或200μg/ml，也可以为50-200μg/ml中任一其他数值。将装有上述细胞培养基20的容器放置在37℃、5％CO2浓度的加湿培养箱中。通过摩擦纳米发电机10提供的不同电流刺激该细胞，每次2000个脉冲，每天三次。
该细胞培养基20液通过电极连接在上述电路中。该电极是由单壁碳纳米管(SWCNT)薄膜制成的。该SWCNT薄膜的制备方法包括如下步骤：
将20mg的SWCNT粉末(HiPco SWCNT,NanoIntegris Inc.)放入100ml、质量分数为0.7％的十二烷基苯磺酸钠(SDBS,95％Aladdin,CAS 25155-30-0)去离子水中，用角型超声发生器(SCIENTZ JY98-IIIDN,频率为20kHz)在冰浴中将其分散。在此过程中，超声发生器功率设置为12w，并在脉冲模式(开10s关30s)下工作，有效持续时间为2h。
使用由Iwata Eclipse HP-BS(Anest Iwata(Shanghai)Corp.,Shanghai,China)喷枪系统和由步进电机(ADTECH TV 5300,ADTECH(Shenzhen)Technology Co.,Ltd.,China)控制的机动X-Y热段电机组成的家用喷雾涂层系统，将制备好的1.8mL SWCNT分散液喷涂到PET基板(Toyob Corp.,A4300，厚度为125μm)上，在喷涂过程中，衬底被真空安装在x-y工作台，温度设定为160℃以促进水蒸发形成SWCNT薄膜。喷枪的工作压强为200kpa，其高度和位置通过X-Y工作台上的框架结构固定。
为了形成所设计的电极图案，当X-Y工作台水平和垂直均栅格化时，在PET基板上使用相同形状和大小的PET掩模。随后在常温下干燥12小时，将其粘在7.5mm厚的PMMA片上，并粘在培养皿的盖子上。
喷涂后，将在PET基底上制备的SWCNT薄膜电极在去离子水中浸泡12h，去除残留的SDBS分子。随后在常温下干燥12小时，将其粘在7.5mm厚的PMMA板上，并粘在培养皿的盖子上。用与外部器件连接的银浆分别将两根铜线粘在SWCNT薄膜电极的两侧。
上述制备SWCNT薄膜的步骤中，关于数值的部分，并不限于此，可以根据实际需要进行调整，依然可以获得SWCNT薄膜。
在一个实施例中，该变阻器30设置成将电路电流调节至10μA、20μA、30μA、40μA、50μA、60μA、70μA或75μA，或者10-75μA中任一其他数值，以促进待刺激细胞的增殖和迁移。
在另一个实施例中，该变阻器30设置成将电路电流调节至75μA、85μA、100μA、130μA或150μA，或者大于75μA中任一其他数值，以抑制待刺激细胞的增殖和迁移。
在另一个实施例中，该变阻器30设置成将电路电流调节至110μA、120μA、140μA、180μA、200μA或250μA，或者大于100μA中任一其他数值，以抑制待刺激细胞的增殖和迁移。
图3示出了根据本发明一个实施例的不同转速下摩擦纳米发电机10的开路电压以及短路电流与时间之间的关系图。如图3所示，开路电压(Voc)峰值到峰值的电压大约为160V，短路电流则随着转速的增加而增大，当转速为60转/秒时，短路电流(Isc)为-70μA；当转速上升到140转/秒时，短路电流增加到100μA。图4示出了根据本发明一个实施例在转速为120转/秒下的不同负载电阻的电流输出。如图4所示，初始电流约有100μA，当接入电阻达到兆欧级别时，电流明显减小到几个微安。通过调整接入电路的变阻器30的阻值，电流值分别可以达到100μA、75μA、50μA、35μA。
图5示出了不同摩擦纳米发电机10输出电流下的促进率的变化曲线图。如图5所示，20μA电流的促进率为19.5±2.90％，当摩擦纳米发电机10电流输出从20μA增加到50μA时，促进率逐渐上升，这个阶段显著促进了待刺激细胞如小鼠纤维母细胞的增殖，较为适合细胞的电刺激应用。50μA的电流刺激两天后的促进率可达53.8±2.66％。当电流大于50μA时，促进率迅速下降，表明此阶段的电流刺激对小鼠纤维母细胞的增殖引起显著的抑制作用。电流为100μA时的促进率为-4.5±2.41％。
本发明方案，旋转轮盘状的摩擦纳米发电机10粗糙的表面通过旋转摩擦起电可以提供更大、更稳定的电输出。并且，在10-75μA的电流刺激下，将摩擦纳米发电机10的输出应用于小鼠纤维母细胞，在伤口愈合过程中，摩擦纳米发电机10显著地增强了小鼠纤维母细胞的增殖和跨越划痕的迁移。还可以将大于75μA或者大于100μA的电流刺激应用在抑制所述待刺激细胞的增殖和迁移上。其中，待刺激细胞可以是任意细胞，并不限于上述小鼠纤维母细胞。
特别地，本发明实施例还提供了一种护创胶布，包括具有黏性的胶带部和用于促进创面愈合的创面促愈部。创面促愈部包括摩擦纳米发电机和变阻器。摩擦纳米发电机用于将外部机械能转化为电能。变阻器接在具有摩擦纳米发电机的电路中，用于通过调节电阻的大小将电路中的电流调节至范围在10-75μA的任一其他数值，从而促进创面的愈合。例如可以将电路电流调节至10μA、20μA、30μA、40μA、50μA、60μA、70μA或75μA，或者10-75μA中任一其他数值，以促进创面的愈合。
该实施例中，摩擦纳米发电机和变阻器的尺寸较小，整体上尺寸可以为厘米级，以使护创胶布贴附在皮肤上时没有异物感。其中，摩擦纳米发电机和变阻器的结构可以与前文保持一致，但并不限于此。
特别地，本发明实施例还提供了一种癌细胞抑制胶囊，包括空心胶囊本体和癌细胞抑制器件。空心胶囊本体具有导电性，癌细胞抑制器件设置在空心胶囊本体内。癌细胞抑制器件包括摩擦纳米发电机和变阻器。摩擦纳米发电机用于将外部机械能转化为电能。变阻器接在具有摩擦纳米发电机的电路中，用于通过调节电阻的大小将电路中的电流调节至范围在大于75μA的任一其他数值，从而抑制癌细胞的增殖和迁移。例如可以将电路电流调节至75μA、85μA、100μA、130μA或150μA，或者大于75μA中任一其他数值，以抑制癌细胞的增殖和迁移。
优选地，该变阻器设置成将所述电路中的电流调节至范围在大于100μA的任一其他值。例如可以将电路电流调节至110μA、120μA、140μA、180μA、200μA或250μA，或者大于100μA中任一数值，以抑制癌细胞的增殖和迁移。
该实施例中，摩擦纳米发电机和变阻器的尺寸较小，整体上尺寸可以为厘米级，以使患者能轻易吞入体内。其中，摩擦纳米发电机和变阻器的结构可以与前文保持一致，但并不限于此。
特别地，本发明还提供了一种便携式电刺激系统，设置成能与细胞接触，包括摩擦纳米发电机和变阻器。摩擦纳米发电机用于将外部机械能转化为电能。变阻器接在具有摩擦纳米发电机的电路中，用于通过调节电阻的大小来调节电路中的电流大小，从而促进细胞的增殖和迁移。其中，摩擦纳米发电机和变阻器的结构可以与前文保持一致，但并不限于此。
该实施例中，无需通过电源线连接外部电源，直接通过自带的摩擦纳米发电机即可提供电能。由此，设备的体积无需很大，非常便捷，方便携带。
上述各实施例展示了摩擦纳米发电机对于细胞增殖和迁移的可定制性，具有摩擦纳米发电机的电刺激系统在组织形成、表皮细胞再生、组织重塑和伤口愈合等方面具有潜在应用。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (8)
1.一种自驱动电刺激系统，其特征在于，包括：
摩擦纳米发电机，用于将外部机械能转化为电能；
细胞培养基，包括待刺激细胞，所述细胞培养基通过电极连接在具有所述摩擦纳米发电机的电路中；以及
变阻器，接在所述电路中，用于通过调节电阻的大小来调节所述电路中的电流大小，从而促进或抑制所述待刺激细胞的增殖和迁移。
2.根据权利要求1所述的自驱动电刺激系统，其特征在于，所述电路中的所述电流在10-75μA的范围内时促进所述待刺激细胞的增殖和迁移。
3.根据权利要求1所述的自驱动电刺激系统，其特征在于，所述电路中的所述电流在大于75μA的范围内时抑制所述待刺激细胞的增殖和迁移。
4.根据权利要求1所述的自驱动电刺激系统，其特征在于，所述细胞培养基还包括胎牛血清、青霉素钠和链霉素。
5.根据权利要求4所述的自驱动电刺激系统，其特征在于，所述胎牛血清的体积比为5-15％，所述青霉素钠的浓度为50-150U/ml，所述链霉素的浓度为50-200μg/ml。
6.一种护创胶布，其特征在于，包括具有黏性的胶带部和用于促进创面愈合的创面促愈部，所述创面促愈部包括：
摩擦纳米发电机，用于将外部机械能转化为电能；
变阻器，接在具有所述摩擦纳米发电机的电路中，用于通过调节电阻的大小将所述电路中的电流调节至范围在10-75μA的任一值，从而促进所述创面的愈合。
7.一种癌细胞抑制胶囊，其特征在于，包括空心胶囊本体和癌细胞抑制器件，所述空心胶囊本体具有导电性，所述癌细胞抑制器件设置在所述空心胶囊本体内，所述癌细胞抑制器件包括：
摩擦纳米发电机，用于将外部机械能转化为电能；
变阻器，接在具有所述摩擦纳米发电机的电路中，用于通过调节电阻的大小将所述电路中的电流调节至范围在大于75μA的任一值，从而抑制所述癌细胞的增殖和迁移。
8.一种便携式电刺激系统，其特征在于，设置成能与细胞接触，包括：
摩擦纳米发电机，用于将外部机械能转化为电能；
变阻器，接在具有所述摩擦纳米发电机的电路中，用于通过调节电阻的大小来调节所述电路中的电流大小，从而促进所述细胞的增殖和迁移。
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