CN110201301B - 一种基于摩擦发电的伤口愈合装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出的一种基于摩擦发电的伤口愈合装置，包括依次连接的摩擦纳米发电机、整流与升压电路和伤口处理组件；伤口处理组件包括安装在壳体内的微等离子体伤口愈合单元和电刺激伤口愈合单元；微等离子体伤口愈合单元包括依次层叠的第一电极层、绝缘层和设有网眼的第二电极层，绝缘层与第二电极层间隔设置；第一、第二电极层分别与交流升压电路的正、负极输出端相连；电刺激伤口愈合单元包括对称位于外壳底部两侧且分别与整流稳压电路的正、负极输出端相连的两电极条，两电极条表明均覆盖有硅胶层。本发明充分利用摩擦纳米发电机具有的高输出电压、低电流的特点，简化结构，兼具高效的止血杀菌能力与缩短伤口愈合时间能力，且操作方便。
Description
技术领域
本发明属于伤口愈合技术领域，尤其涉及一种基于摩擦发电的伤口愈合装置。
背景技术
在人们的日常生活中难免会有一些意外，从而造成一些或大或小的伤口。这些伤口本身通常不会对人们的健康造成太大影响，但如果不妥善处理则有可能导致感染、发炎等一系列更加严重的问题。如果伤口较小，通常会选择创可贴进行来保护伤口、促进愈合；若是伤口较大，则会前往医院进行包扎。但无论采用何种办法，都将面临长达几天到数周的伤口愈合阶段并在这期间承担伤口感染、发炎的风险。
目前常用的创可贴又名苯扎氯铵贴，俗称杀菌弹性创可贴，是人们生活中最常用的一种外科用药。创可贴主要由平布胶布和吸水垫组成，具有止血，护创作用。其上涂覆的苯扎氯铵，是一种阳离子表面活性剂类广谱杀菌剂。这种创可贴的缺点是只有有限的止血和保护伤口的作用，而对于伤口的愈合进程没有明显的促进作用，也就是说这种伤口愈合方法并不能缩短伤口愈合的时间并且降低伤口感染的效果也有局限。
另一种处理伤口的常见方式是通过碘伏对伤口进行杀菌，其后通过绷带对伤口进行保护的方式，相较于使用创可贴虽可以处理更大范围的伤口，但依旧不能有效缩短伤口愈合所需要的时间，并且还需要定期换药，这进一步增加了伤口愈合阶段对患者的影响。
基于对于缩短伤口愈合时间以及更加可靠的止血、杀菌要求，目前出现了两种新型的伤口处理方式：等离子体伤口愈合与电刺激伤口愈合。
等离子体伤口愈合利用高压电场电离气体产生等离子体，产生紫外线、活性氧与活性氮，从而可以使伤口快速止血并具有强大的杀菌能力。电刺激伤口愈合利用一个稳定的方向不变的电压在伤口上持续产生一个电场，这个电场可以刺激伤口处细胞，使之快速增殖分化，从而有效促进伤口愈合。
目前，等离子体处理伤口与电刺激处理伤口实际上只有很小范围的应用。这是主要由于对电源的要求：电刺激伤口愈合要求稳定的电压、安全的电流，并且需要长时间保持；而等离子体伤口愈合要求高频高压电源，同时其电流大小必须被限制在安全电流以下。这样一来，相关的电源设备往往笨重而昂贵，所以这两种伤口处理方式并未得到广泛应用。此外，目前采用的等离子体伤口处理装置，多以手持等离子射流部件的方式对伤口进行处理，存在操作不便的缺陷。
已有的一种可用于伤口愈合的常压等离子体发生装置，如中国实用新型专利CN203761669U。该装置基本结构包括接地的不锈钢筒帽，该筒帽内壁紧贴一层聚四氟材料的绝缘介质，顶部开口，底部安装有圆柱形绝缘底座，套有石英介质管的高压电极通过圆柱形绝缘底座中心置于不锈钢筒帽内，高压电极前端作为放电端，处在不锈钢筒帽顶部区域，后端与高压电源相连接，在高压电极后端连接着绝缘底座安装可调装置。该装置可在放电端喷射出低温等离子流以对伤口进行杀菌消毒，但该装置要求电源输出10～50千赫兹、0～25千伏的高压交流电，对电源设备要求较高。另外，利用等离子进行伤口处理，可以有效杀菌消毒，但其并不具有伤口部位细胞增殖分化的能力。
已有的一种促伤口愈合电子敷贴及其使用方法，如中国发明专利CN107412949A，其基本结构包括电刺激装置、电子敷贴和信号发射装置，所述电刺激装置包括电源、蓝牙通信模块、恒流源电路和输出接口。该装置工作原理为：电刺激装置、电子敷贴和信号发射装置上电后工作,信号发射装置下发控制指令至电刺激装置，电刺激装置接收信号发射装置下发的控制指令,并根据指令控制并监测电子敷贴工作电子敷贴对伤口外加生理性强度的直流电场,引导细胞做定向迁移,促进伤口的愈合。该装置的不足之处在于，电刺激伤口愈合本身对电场强度与电场方向的要求不高，实际上不需要复杂的控制方式。该装置中的信号发射装置与电刺激装置实际上是过于复杂的。另外，电刺激的杀菌消毒作用不足，该装置的对伤口愈合的促进作用会容易受到细菌滋生、伤口发炎等情况的干扰。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提出一种摩擦纳米发电机驱动的伤口愈合装置，本装置利用摩擦纳米发电机所具有的输出电压高、电流小的特点，将摩擦纳米发电机替换现有稳定高压低电流激发的等离子体对伤口进行处理，本发明装置充分利用摩擦纳米发电机所具有的输出电压高、电流小的特点，简化了装置结构，兼具高效的止血杀菌能力与缩短伤口愈合时间能力，且操作方便。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提出的一种基于摩擦发电的伤口愈合装置，其特征在于，包括依次连接的摩擦纳米发电机、整流与升压电路和伤口处理组件；
所述摩擦纳米发电机包括转子和定子，在所述转子和定子之间设有得失电子能力不同的两种摩擦片以及与所述摩擦片发生静电感应的电极；
所述整流与升压电路包括相互独立的整流稳压电路和交流升压电路，所述整流稳压电路和交流升压电路的第一、第二输入端均分别与所述摩擦纳米发电机的第一、第二输出端相连；
所述伤口处理组件包括安装在壳体内的微等离子体伤口愈合单元和电刺激伤口愈合单元，外壳上设有用于与伤口固定的绑带；所述微等离子体伤口愈合单元包括由上至下依次层叠的第一电极层、绝缘层和第二电极层，所述第一电极层与绝缘层紧密贴合，所述绝缘层与第二电极层的间距为0.3～0.5mm，且第二电极层上均匀分布有直径为0.5～1mm的网眼；所述第一电极层和第二电极层分别与所述交流升压电路的第一、第二输出端相连；所述电刺激伤口愈合单元包括对称位于所述外壳底部两侧的第一电极条和第二电极条，两电极条分别与所述整流稳压电路的第一、第二输出端相连，两电极条表明均覆盖有硅胶层。
进一步地，所述摩擦纳米发电机的转子和定子平行且共轴设置，所述转子上与定子相对的一侧固定有呈扇形分布的多个第一摩擦片，各第一摩擦片之间彼此不接触、保持相互独立，各第一摩擦片的一端与所述转子固定连接、另一端为自由端；所述定子上通过花形沟槽将该定子分割为内外两个区间，分别在所述两个区间内设置多个第一电极片和第二电极片，且第一、第二电极片交替设置，将所有的第一电极片相连作为所述摩擦电纳米发电机的第一输出端，将所有的第二电极片相连作为摩擦电纳米发电机的第二输出端，所述第一电极片和第二电极片上均覆盖有与第一摩擦片得失电子能力不同的第二摩擦片，在所述转子转动过程中，所述第一摩擦片与第二摩擦片彼此接触。
进一步地，所述转子的转速在0-500r/min可调；所述摩擦纳米发电机的第一、第二输出端输出3～4kV的交变电；所述整流稳压电路输出300～400V的直流电；所述交流升压电路用于保证在所述摩擦纳米发电机的转子转速较慢，输出电压较低时仍能向所述第一电极层、第二电极层输出3～4kV的交变电。
本发明的特点及有益效果：
本发明利用简单的机械能输入，即可提供适用于电刺激伤口愈合装置与等离子体伤口愈合装置的电源，从而可以将两种本来实施成本较高的伤口愈合方法整合在一起；摩擦纳米发电机本身输出电流极小，不会对人体造成危害；摩擦纳米发电机结构简单，成本低廉，代替原先复杂而昂贵的供电设备，使伤口愈合装置具有了低成本、易于携带的优点；本发明中的伤口处理组件由电刺激伤口愈合单元和等离子体伤口愈合单元构成，通过电刺激伤口愈合单元产生的恒定电场与等离子体伤口愈合单元产生的等离子体同时用于伤口处理，前者可以使伤口快速止血并且具有高效而安全的杀菌效果，后者可以持续促进伤口的愈合进程，两者结合起来可以有效降低伤口感染风险，缩短伤口愈合时间；此外，本发明中的伤口处理组件在工作时直接覆盖在伤口表面，操作方便。
附图说明
图1为本发明实施例的一种基于摩擦发电的伤口愈合装置的整体结构示意图。
图2为摩擦纳米发电机的原理示意图。
图3为图1中摩擦纳米发电机的爆炸结构示意图。
图4中的a)、b)为图1中整流与升压电路的电路结构示意图。
图5为图1中伤口处理组件的爆炸结构示意图。
图6为图1中伤口处理组件的剖面示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：
本发明提出的一种基于摩擦发电的伤口愈合装置主要由三部分组成，如图1所示，包括通过导线4依次连接的摩擦纳米发电机1、整流与升压电路2和伤口处理组件3。
摩擦纳米发电机1包括转子和定子，在所述转子和定子之间设有得失电子能力不同的两种摩擦片以及与所述摩擦片发生静电感应的电极。参见图2，根据转子和定子间的相对运动方式，可将摩擦纳米发电机分为接触分离式(如图2中ai)～aiii)所示)或滑移式(如图2中bi)、bii)所示)；根据电极的连接方式，可将摩擦纳米发电机分为电极相连式(如图2中ai)、bi)所示)、独立摩擦层式(如图2中aii)、bii)所示)和单电极式(如图2中aiii)所示)；图2中，较厚的材料代表电极、较薄的材料代表摩擦材料，箭头代表运动部件及运动方向。本实施例采用独立摩擦层式摩擦纳米发电机，因为该摩擦纳米发电机的输出电压较其他类型发电机更高，更适合本发明的特点。参见图3，本发明实施例的摩擦纳米发电机包括平行且共轴设置的转子11和定子12，转子11上与定子12相对的一侧固定有呈扇形分布的多个第一摩擦片13，各第一摩擦片之间彼此不接触、保持相互独立，本实施例中，各第一摩擦片13(采用PVC制成)为曲面薄片、呈蝶形，各薄片的一端与转子11(为圆形亚克力板)固定连接、另一端为自由端；定子12上通过花形沟槽14将定子12分割为内外两个区间，通过喷涂或粘贴方式分别在所述两个区间内设置有多个第一电极片15和多个第二电极片16(均采用铜电极)，且第一、第二电极交替设置，将所有的第一电极片15相连(串联或并联)作为摩擦纳米发电机1的第一输出端，将所有的第二电极片16相连(串联或并联)作为摩擦纳米发电机1的第二输出端，第一电极片15和第二电极片16上通过粘贴等方式均覆盖有与第一摩擦片13得失电子能力不同的第二摩擦片17(如采用尼龙制成的薄片)。转子11、第一摩擦片13、电极片(15、16)、第二摩擦片17的尺寸应相匹配，转子11的直径优选为200～300mm。驱动转子11旋转的能量来源包括机械能、电能、风能、热能等低频能源，如可通过简单机械能输入如手摇转轴或电机接转轴获得转速，优选地，控制转速在0-500r/min可调。在转子11转动过程中，第一摩擦片13与第一、第二电极片所对应的第二摩擦片17交替摩擦接触，产生电荷转移，建立高压电场，诱导电荷在第一、第二电极片之间经过负载发生转移，产生电流。本实施例中摩擦纳米发电机1的正、负极输出端输出3～4kV的交变电压。
摩擦发电机1输出的交流高电压经由整流与升压电路2可向伤口处理组件3供电。如图4中a)、b)所示，整流与升压电路2中包含相互独立的整流稳压电路和交流升压电路。其中：
整流稳压电路包括降压变压器41、整流桥42、电容43和稳压二极管44，整流桥42由4个首尾依次相连的二极管组成，从各相邻两二极管的连线上引出接线端分别作为整流桥42的4个端口；降压变压器41的原边绕组的正、负端分别作为整流稳压电路的正、负极输入端与摩擦纳米发电机1的第一、第二输出端相连，降压变压器41的副边绕组端分别与整流桥42的第一、第三端口相连，整流桥42的第二端口与电容43的正极、稳压二极管44的阴极共同相连作为整流稳压电路的第一输出端接入伤口处理装置3，整流桥42的第四端口与电容43的负极、稳压二极管44的阳极共同相连作为整流稳压电路的第二输出端接入伤口处理装置3。在该整流稳压电路中，由摩擦纳米发电机1输出的高压交流电通过匝数比为10：1的降压变压器41后，电压降为300～400V，再通过整流桥42将交流电变为直流电，再通过电容43进行进一步滤波，通过稳压二极管44将电压限制在300V及以下，最后整流稳压电路输出的是300V以下的直流电；其中，整流桥42中的二极管、电容43、稳压二极管44的耐压值应为500～1000V。
交流升压电路包括开关45和升压变压器46，升压变压器46的原边绕组端通过开关45与摩擦纳米发电机1的第一、第二输出端相连，升压变压器46的副边绕组端分别作为交流升压电路的第一、第二输出端。升压变压器46的线圈匝数比为1：2，由摩擦纳米发电机1输出的高压交流电通过升压变压器46进行升压，以保证在摩擦纳米发电机转速较慢，输出电压较低时仍能向伤口处理组件3输出3～4kV的交流电。
伤口愈合组件3的具体组成如图5所示，该伤口愈合组件3包括安装在壳体38内的微等离子体伤口愈合单元和电刺激伤口愈合单元。其中：
微等离子体伤口愈合单元基于介质阻挡放电产生等离子体，包括由上至下依次层叠的第一电极层37、绝缘层36和第二电极层35；第一电极层37与第二电极层35均为具有生物兼容性的柔性电极，二者尺寸相同，具体地，厚度应为0.5～1毫米，其长度与宽度与伤口大小相匹配；第二电极层35上均匀分布有直径为0.5～1mm的网眼。绝缘层36材质可选为硅胶，其尺寸与第二电极层35、第一电极层37相同。如图6所示，外壳38采用柔性材料制成(如橡胶)，以保证与人体各部位伤口的紧密的贴合，外壳尺寸视内部电极尺寸而定。外壳38具有U型横截面，且前后端开敞，在外壳38的两侧壁上分别设有固定第一电极层37、绝缘层36、第二电极层37的凹槽，第一电极层37与绝缘层36紧密贴合，绝缘层36与第二电极层35的间距为0.3～0.5毫米，以保证能够激发出微等离子体。第二电极层35与第一电极层37分别与交流升压电路中升压变压器46的副边绕组端相连，接入经交流升压电路处理后的高压交变电流后，可以在绝缘层36与第二电极层35之间的间隙中激发产生微等离子体，微等离子体产生的紫外线、活性氧、活性氮等可以通过第二电极层35的网眼作用在伤口上，起到止血、杀菌、消炎的作用。需要说明的是，微等离子体伤口愈合单元非常开，通过交流升压电路中的开关45的通断控制微等离子体伤口愈合单元间隔开启，控制开关45每天开启1～3次，每次开启时间为0.5～1min,，从而避免对人体的不良影响以及保证整个装置的正常运行。
电刺激伤口愈合单元包括对称固定于外壳38敞口端侧壁上的第一电极条33与第二电极条34，两电极条分别通过导线4同整流与升压电路2中整流稳压电路的第一、第二输出端相连，产生恒定电场，在第一电极条33与第二电极条34(均采用铜箔)的表面均附着有硅胶层，用于防止金属电极(33、34)直接与皮肤接触产生不良刺激。第一电极条33与第二电极条34对称位于第二电极层35的底部，第一电极条33与第二电极条34的厚度应在0.5～1毫米，长度与第二电极层35、第一电极层37相同，宽度应为电极层35、37的1/7～1/5，具体尺寸应保证电极条33、34分布在伤口两侧边缘处。第一电极条33与第二电极条34接入由整流与升压电路2中整流稳压电路输出的稳定的方向不变的电压后，可在两电极条间产生稳定的电场，从而刺激伤口处的细胞快速增殖分化，实现促进伤口愈合的作用。电极条33、34通过整流稳压电路与摩擦纳米发电机1始终保持接通。
外壳38外部设有一对绑带31、32，绑带上设有尼龙搭扣321，通过绑带及其上的尼龙搭扣321将外壳连同其内的微等离子体伤口愈合单元和电刺激伤口愈合单元固定于伤口表面。绑带应在不刺激皮肤的同时兼具透气功效，故其材料可选为棉布，绑带的尺寸应视伤口所在部位与具体固定需要而定。
本发明工作原理为：人们日常活动产生的摩擦或直接手摇产生的机械能输入摩擦纳米发电机1，摩擦纳米发电机1输出高压交变电流。高压交变电流输入整流与升压电路2向伤口处理组件3提供恒压电源或高压交变电源。伤口处理组件3接入电源后将产生恒定电场与微等离子体，伤口上恒定电场可以促进伤口处细胞的增殖分化，从而使伤口加速愈合，微等离子体产生的紫外线以及其在空气中反应产生的活性氮、活性氧可以对伤口起到止血、杀菌的作用。
Claims (4)
1.一种基于摩擦发电的伤口愈合装置，其特征在于，包括依次连接的摩擦纳米发电机、整流与升压电路和伤口处理组件；
所述摩擦纳米发电机包括转子和定子，在所述转子和定子之间设有得失电子能力不同的两种摩擦片以及与所述摩擦片发生静电感应的电极；
所述整流与升压电路包括相互独立的整流稳压电路和交流升压电路，所述整流稳压电路和交流升压电路的第一、第二输入端均分别与所述摩擦纳米发电机的第一、第二输出端相连；
所述伤口处理组件包括安装在壳体内的微等离子体伤口愈合单元和电刺激伤口愈合单元，外壳上设有用于与伤口固定的绑带；所述微等离子体伤口愈合单元包括由上至下依次层叠的第一电极层、绝缘层和第二电极层，所述第一电极层与绝缘层紧密贴合，所述绝缘层与第二电极层的间距为0.3～0.5mm，且第二电极层上均匀分布有直径为0.5～1mm的网眼；所述第一电极层和第二电极层分别与所述交流升压电路的第一、第二输出端相连；所述电刺激伤口愈合单元包括对称位于所述外壳底部两侧的第一电极条和第二电极条，两电极条分别与所述整流稳压电路的第一、第二输出端相连，两电极条表明均覆盖有硅胶层；
所述摩擦纳米发电机的转子和定子平行且共轴设置，所述转子上与定子相对的一侧固定有呈扇形分布的多个第一摩擦片，各第一摩擦片之间彼此不接触、保持相互独立，各第一摩擦片的一端与所述转子固定连接、另一端为自由端；所述定子上通过花形沟槽将该定子分割为内外两个区间，分别在所述两个区间内设置多个第一电极片和第二电极片，且第一、第二电极片交替设置，将所有的第一电极片相连作为所述摩擦纳米发电机的第一输出端，将所有的第二电极片相连作为摩擦纳米发电机的第二输出端，所述第一电极片和第二电极片上均覆盖有与第一摩擦片得失电子能力不同的第二摩擦片，在所述转子转动过程中，所述第一摩擦片与第二摩擦片彼此接触；
所述转子的转速在0-500r/min可调；所述摩擦纳米发电机的第一、第二输出端输出3～4kV的交变电；所述整流稳压电路输出300～400V的直流电；所述交流升压电路用于保证在所述摩擦纳米发电机的转子转速较慢，输出电压较低时仍能向所述第一电极层、第二电极层输出3～4kV的交变电；
所述第一电极层和第二电极层均为具有生物兼容性的柔性电极，两者尺寸相同，厚度均为0.5～1mm；
所述第一电极条和第二电极条的厚度为0.5～1mm，长度与第一电极层、第二电极层相同，宽度为第一电极层、第二电极层的1/7～1/5。
2.根据权利要求1所述的伤口愈合装置，其特征在于，所述外壳具有U型横截面，且前后端开敞，在该外壳的两侧壁上分别设有固定所述第一电极层、绝缘层、第二电极层、第一电极条和第二电极条的凹槽。
3.根据权利要求1所述的伤口愈合装置，其特征在于，所述整流稳压电路包括降压变压器、整流桥、电容和稳压二极管，所述整流桥由4个首尾依次相连的二极管组成，从各相邻两二极管的连线上引出接线端分别作为所述整流桥的4个端口；所述降压变压器的原边绕组的两端分别与摩擦纳米发电机的第一、第二输出端相连，该降压变压器的副边绕组端分别与所述整流桥的第一、第三端口相连，整流桥的第二端口与所述电容的正极、稳压二极管的阴极共同接入所述伤口处理组件中的第一电极条，所述整流桥的第四端口与所述电容的负极、稳压二极管的阳极共同接入所述伤口处理组件中的第二电极条。
4.根据权利要求1所述的伤口愈合装置，其特征在于，所述交流升压电路包括开关和升压变压器，所述升压变压器的原边绕组端通过所述开关与摩擦纳米发电机的第一、第二输出端相连，所述升压变压器的副边绕组端分别与所述伤口处理组件中的第一电极层、第二电极层相连；所述开关间隔开启。
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