CN110507903B - 基于碳纳米管的多功能膜片及其制备方法及动力辅助装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供基于碳纳米管的动力辅助膜片及其制备方法以及心脏动力辅助装置。本发明提供的基于碳纳米管的多功能膜片包括：由高度取向碳纳米管薄膜制成的柔性起搏电极以及包含碳纳米管薄膜的动力辅助单元。本发明提供的心脏动力辅助装置中，由多个条形的基于碳纳米管的动力辅助膜片多功能膜片构成的花瓣状结构。本发明的心脏动力辅助装置集成了心脏再同步起搏、原位心脏动力辅助和心脏再生促进于一体，在恢复心力衰竭心脏的正常泵血功能方面尤其是对心肌梗死后的衰竭心脏有着巨大潜能。

Description

基于碳纳米管的多功能膜片及其制备方法及动力辅助装置
技术领域
本发明涉及组织工程学和细胞生物学技术领域，尤其涉及一种基于碳纳米管 的多功能动力辅助膜片及其制备方法、以及以该膜片构建应用于心力衰竭治疗的 心脏动力辅助装置。
背景技术
由心肌梗塞引起的心力衰竭正在逐年上升，已成为导致心衰的主要原发病之 一。对于心力衰竭目前常用的临床所采用的治疗方法有：药物治疗、介入治疗、 溶栓治疗、冠状动脉旁路手术，这些方法尽管能够延缓心室重构，改善心功能， 但无法从根本上修复受损心肌、阻断病程进展。此外，虽然心脏移植治疗方法可 起到从根本治疗的效果，但是心脏移植来源有限，并且可能会发生免疫排异反应， 因此无法满足目前的数量庞大病例的临床需求。另外，目前采用心室辅助装置和 人工机械心脏治疗方法需要直接接触血液，这会导致血液有型成分的破坏，并容 易导致血栓、出血和感染等多种严重并发症的发生，而且在此类治疗过程中需要 长期服用抗凝剂，医疗费用负担沉重，因此仅适合作为心脏移植前的过渡使用。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供基于碳纳米管的动力辅 助膜片及其制备方法以及心脏动力辅助装置及应用。
本发明提供的一种基于碳纳米管的多功能膜片，其特征在于：由高度取向碳 纳米管薄膜制成的柔性起搏电极以及包含碳纳米管薄膜的动力辅助单元。
进一步，在本发明提供的基于碳纳米管的多功能膜片中，还具有这样的特征： 其中，高度取向碳纳米管薄膜由1～15层的多壁碳纳米管构成。
进一步，在本发明提供的基于碳纳米管的多功能膜片中，还具有这样的特征： 其中，动力辅助单元包含由二个碳纳米管薄膜分别作为上表层和下表层以及离子 填充的聚合物凝胶电解质作为中间层组成的三明治结构。
进一步，在本发明提供的基于碳纳米管的多功能膜片中，还具有这样的特征： 其中，离子填充的聚合物凝胶电解质中，聚合物凝胶为聚乙烯醇、壳聚糖、海藻 糖中的任意一种，并采用硫酸进行离子填充。
进一步，在本发明提供的基于碳纳米管的多功能膜片中，还具有这样的特征： 其中，离子填充的聚合物凝胶电解质中，硫酸的最终浓度为5％～10％。
进一步，在本发明提供的基于碳纳米管的多功能膜片中，还具有这样的特征： 其中，三明治结构的上表面、下表面和四周采用硅橡胶、聚四氟乙烯、聚乙烯、 聚氯乙烯中任意一种无毒封装材料进行封装，柔性起搏电极与三明治结构的上表 面的无毒封装材料相贴合。
本发明还提供一种基于碳纳米管的多功能膜片的制备方法，其特征在于，包 括如下步骤：步骤一，制备聚合物凝胶，并向聚合物凝胶中加入离子化合物，得 到离子填充的聚合物凝胶电解质；步骤二，取二片市售的碳纳米管薄膜，将离子 填充的聚合物凝胶电解质夹在二个碳纳米管薄膜之间，形成三明治结构；步骤三， 采用无毒封装材料对三明治结构的上表面、下表面及四周进行封装，从而形成动 力辅助单元；步骤四，在动力辅助单元的上表面制备高度取向碳纳米管薄膜作为 柔性起搏电极，从而形成基于碳纳米管的多功能膜片。
本发明还提供一种心脏动力辅助装置，其特征在于，包括：由3～10个条形 多功能膜片构成的花瓣状结构，条形多功能膜片的柔性起搏电极表面对应于花瓣 状结构的内侧面，花瓣状结构的内侧面用于贴敷于心脏外表面，花瓣状结构设置 有用于连接起搏器的两对正负极外接导线，一对从柔性起搏电极引出，另一对从 动力辅助单元引出，其中，条形多功能膜片为由上述的基于碳纳米管的多功能膜 片制造成的条状结构。
进一步，在本发明提供的心脏动力辅助装置中，还具有这样的特征：条形多 功能膜片的动力辅助单元作为电化学驱动器，通过起搏器输出0.5Hz～3Hz的交 流电压，使得动力辅助单元呈现相应频率的摆动。
本发明还提供一种上述心脏动力辅助装置在心力衰竭治疗中的应用。
本发明的有益效果：
1)本发明的心脏动力辅助装置由于采用了高度取向性的碳纳米管作为柔性 起搏电极，可使得其直接接触的心外膜细胞可以出现增强的上皮细胞-间质转化， 并发生定向迁移，有益于心肌损伤后的心脏再生修复。
2)本发明的心脏动力辅助装置具有柔性特征，可以覆盖心脏的左右两个心 室，可以将电脉冲信号同步传达至两个心室，纠正心衰心脏存在的双心室失同步 现象。
3)本发明的心脏动力辅助装置显示了对外部交流电压的良好频率响应，以 及模拟心脏收缩力和振幅。
4)本发明的心脏动力辅助装置的花瓣型设计可以为心衰的心脏提供额外的 动力辅助，并为梗塞后衰竭心脏的纤薄疤痕区提供结构支持，防止异常膨出或破 裂。
5)本发明的心脏动力辅助装置是直接包绕在宿主心脏表面，不接触血液， 从而避免了长期抗凝治疗的不良影响；同时表面了传统机械循环辅助装置中出现 的对血液有型成分的破坏，以及各种严重并发症如严重出血、栓塞和感染。
综上，本发明的心脏动力辅助装置是集成了心脏再同步起搏、原位心脏动力 辅助和心脏再生促进于一体的装置，在恢复心力衰竭心脏的正常泵血功能方面尤 其是对心肌梗死后的衰竭心脏有着巨大潜能。
附图说明
图1是本发明心脏动力辅助装置的结构示意图；
图2是本发明基于碳纳米管的多功能膜片的立体结构剖视图；
图3是高度取向碳纳米管薄膜(SA-CNTs)的电镜图；
图4a是玻璃片上心外膜细胞的迁移状态的光镜图(培养至第3天)；
图4b是SA-CNTs上心外膜细胞的迁移状态的光镜图(培养至第3天)；
图5a是玻璃片上心外膜细胞的迁移状态的光镜图(培养4天后)；
图5b是SA-CNTs上心外膜细胞的迁移状态的光镜图(培养4天后)；
图6是细胞培养6天后，心外膜细胞的上皮细胞间质化(EMT)过程的共聚焦图 像，其中(a)、(b)、(c)分别表示玻璃片上的心外膜细胞的情况、SA-CNTs上的心外 膜细胞的情况、加上外部电刺激的高度取向碳纳米管薄膜(E-SA-CNTs)上的心 外膜细胞的情况；
图7是细胞培养6天后，玻璃片、SA-CNTs、E-SA-CNT上心外膜细胞的EMT过 程中EMT标记物α-SMA、波形蛋白、SM-MHC的mRNA表达情况的柱形图；
图8a是本发明实施例中动力辅助单元的横截面SEM图像(没有封装的情况)；
图8b是本发明实施例中动力辅助单元的横截面SEM图像(采用PDMS封装的情 况)；
图9是本发明实施例中动力辅助单元的电化学驱动原理图；
图10a是本发明实施例中花瓣型的动力辅助单元模拟心脏舒张状态图；
图10b是本发明实施例中花瓣型的动力辅助单元模拟心脏收缩状态图；
图11是本发明实施例中花瓣型的动力辅助单元在不同扫描速率下的CV曲线图，
图中标号①至⑦依次表示25V s-1、20V s-1、15V s-1、10V s-1、5V s-1、2V s-1、 1Vs-1；
图12是心肌梗死后心衰心脏的收缩和舒张的示意图，图中虚线表示收缩状态， 并显示梗死区有运动障碍和膨出，箭头表示收缩期间心肌运动的方向；
图13是计算机模拟显示的动力辅助单元的应力分布图，图中A模型表示舒张状态、B模型表示收缩状态；
图14是本发明实施例中动力辅助单元在增加的电压变化频率下的收缩频率和收缩幅度的曲线图，5V s-1、10V s-1、15Vs-1、20V/s-1和25V s-1的电压变化频率在图 中分别对应示意为30bpm、60bpm、90bpm、120bpm和150bpm的心脏收缩/舒张；
图15a是心脏动力辅助装置贴附在台式液灌流兔心脏表面的贴附状态图；
图15b是贴附在台式液灌流兔心脏表面的心脏动力辅助装置与搏动的兔心脏一起舒缩的舒张状态图；
图15c是贴附在台式液灌流兔心脏表面的心脏动力辅助装置与搏动的兔心脏一起舒缩的舒缩状态图；
图16是本实施例中心脏动力辅助装置的起搏家兔心脏过程中跟踪显示得到心电图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解， 以下实施例结合附图对本发明基于碳纳米管的动力辅助膜片及其制备方法以及 心脏动力辅助装置及应用作具体阐述。
<实施例>
1.基于碳纳米管的动力辅助膜片的结构
如图2所示，基于碳纳米管的动力辅助膜片由相互贴合的柔性起搏电极10 以及动力辅助单元20组成。柔性起搏电极10是高度取向碳纳米管薄膜 (SA-CNTs)，该高度取向碳纳米管薄膜包含1～15层的多壁碳纳米管，这些多 壁碳纳米管均具有高度取向性。动力辅助单元20包括三明治结构，该三明治结 构由从上至下设置的市售的碳纳米管薄膜22(CNTs)、离子填充的聚合物凝胶 电解质层23、市售的碳纳米管薄膜24(CNTs)构成，该三明治结构的上表面、 下表面和四周采用无毒封装材料进行封装，图2中示意了上层的无毒封装材料封 装层21以及下层的无毒封装材料封装层25。柔性起搏电极10与动力辅助单元 20通过无毒封装材料封装层21相贴合。
2.基于碳纳米管的动力辅助膜片的制备方法
步骤一，制备聚合物凝胶，并向聚合物凝胶中加入离子化合物，得到离子填 充的聚合物凝胶电解质。聚合物凝胶聚合物凝胶为聚乙烯醇、壳聚糖、海藻糖中 的任意一种；离子化合物采用硫酸；离子填充的聚合物凝胶电解质中硫酸的最终 浓度为5％～10％。
在本实施例中，如下制备一种离子填充的聚合物凝胶电解质：
在90℃下配置15％的聚乙烯醇(PVA)凝胶，通过冷却后，在搅拌下向PVA 凝胶中加入浓度为98％的硫酸，控制凝胶中硫酸最终浓度为10％，得到离子填 充的凝胶电解质。
步骤二，取二片市售的碳纳米管薄膜(南京吉仓纳米，碳纳米管纸， JCBP100×200)切成长条，将步骤一得到的离子填充的聚合物凝胶电解质夹在 二个碳纳米管薄膜之间，形成三明治结构，并在空气中干燥。
与作为柔性起搏电极的高度取向碳纳米管薄膜不同，市售的碳纳米管薄膜的 厚度为5μm～10μm，其中碳纳米管随机分散。市售的碳纳米管薄膜具有优异的导 电性和柔韧性(3.0×104Sm-1,60～120MPa)，可以满足驱行器的要求并降低成本。
步骤三，采用硅橡胶、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯中的任意一种无毒封 装材料对三明治结构的上表面、下表面和四周进行封装，从而形成动力辅助单元。 在本实施例中，采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行封装。图8a示意了没有封装 的情况，图8b示意了封装下表面的情况。
步骤四，采用已有制备高度取向碳纳米管薄膜的技术方法，在动力辅助单元 的上表面制备高度取向碳纳米管薄膜作为柔性起搏电极，从而形成基于碳纳米管 的多功能膜片。
3.心脏动力辅助装置的结构及其制备方法
心脏动力辅助装置100包括由3～10个上述的条状的基于碳纳米管的多功能 膜片构成的花瓣状结构，该心脏动力辅助装置的花瓣状结构设置有两对正负极外 接导线，其中一对外接导线从柔性起搏电极引出，另一对外接导线从动力辅助单 元引出，每对外接导线中的正极外接导线用于对应连接起搏器的正极输出端，每 对外接导线中的负极外接导线用于对应连接起搏器的负极输出端。该花瓣状结构 形状和大小可以根据目标心脏进行定制，并包围所需区域。基于碳纳米管的多功 能膜片的柔性起搏电极表面对应于花瓣状结构的内侧面。如图1所示，图中示意 了一种由8个条状的基于碳纳米管的多功能膜片(标号1～8)构成的花瓣状结构， 以虚线示意了透视视角下背面的基于碳纳米管的多功能膜片(标号5、6、7、8)， 该花瓣状结构的内侧面贴敷于在心脏200的外表面。优选地，心脏动力辅助装置100中，动力辅助单元和起搏电极的正负极外接导线可以在基于碳纳米管的多功 能膜片制造过程中设置，具体为在对三明治结构进行封装前使凝胶的水含量低于 1％并且在这种条件下保持不变，然后通过铜线和银漆引出正极外接导线和负极 外接导线，起搏电极也同样通过铜线和银漆引出正极外接导线和负极外接导线。 在心脏动力辅助装置100中动力辅助单元20作为电化学驱动器，使得动力辅助 单元呈现相应频率的摆动。
心脏动力辅助装置100整体呈花瓣型，每一个条状的基于碳纳米管的多功能 膜片大约为3～4g，质量轻；厚度约为50μm，极薄。
4.柔性起搏电极的相关实验及性能分析
4.1制备用于实验的高度取向碳纳米管薄膜(SA-CNTs)
采用已有技术方法制备实验用的SA-CNTs，即通过化学气相沉积法制备碳纳 米管阵列，再通过干法纺丝制备得相应的纤维和膜，并铺设在玻璃片上，用于体 外细胞培养。制得的SA-CNTs的微观结构如图3所示。
4.2高度取向碳纳米管薄膜上细胞生长实验
将胚胎小鼠心脏分别种植在高度取向碳纳米管薄膜上和玻璃片(作为对照 组)上，在种植后的4天期间追踪并记录细胞生长。
在24小时内，可观察到心外膜细胞从胚胎小鼠心脏迁移到玻璃片和高度取 向碳纳米管薄膜上，迁移出来的心外膜细胞主要由具有鹅卵石形态的间皮细胞组 成。
在第2天，玻璃片上的心外膜细胞形成了紧密堆积的上皮细胞片，而高度取 向碳纳米管薄膜上的细胞开始表现出伪足和明显的迁移行为。
在第3天，玻璃片上的心外膜细胞迁移受到阻碍，为如图4a所示；而高度 取向碳纳米管薄膜上心外膜细胞的迁移则几乎无影响，为如图4b所示，这是由 于高度取向碳纳米管薄膜为细胞提供的表面是各向异性的。
在培养4天后，玻璃片上的心外膜细胞表现为以非定向方式迁移，如图5a 所示，La≈Lb；高度取向碳纳米管薄膜上的细胞倾向于沿着高度取向碳纳米管薄 膜的方向迁移更多，即如图5b所示，表现为La>Lb。高度取向碳纳米管薄膜排 列方向上的心外膜细胞的迁移距离长于垂直方向的迁移距离。
实验结果表明：高度取向碳纳米管薄膜促进胚胎小鼠心脏的心外膜细胞向外 生长，并引导心外膜细胞的定向迁移。
与微米级细胞相比，高度取向碳纳米管薄膜是超薄的，仅约20nm，因此碳 纳米管束在垂直方向上没有明显阻碍细胞迁移。然而，高度取向碳纳米管薄膜促 进细胞在取向方向上的迁移，这与心肌细胞的细长细胞形态的引导功能相对应。 因此，通过控制物理界面相互作用，即此处的碳纳米管排列形态，可以引导更多 的心外膜细胞至心肌梗死区域以参与心脏再生修复。
4.3高度取向碳纳米管薄膜的电刺激实验
将小鼠胚胎心脏种植在两组高度取向碳纳米管薄膜以及玻璃片对照组上，将 其中一组高度取向碳纳米管薄膜连接到起搏器。当胚胎心脏种植到碳纳米管薄膜 上48小时后，心外膜细胞稳定爬出，将连续电脉冲(矩形，2ms，2V cm-1，1Hz) 施加到心外膜细胞，开始电刺激。
实验结果显示：电刺激下高度取向碳纳米管薄膜(E-SA-CNTs)上观察到的 细胞迁移行为与没有刺激的高度取向碳纳米管薄膜(SA-CNTs)上观察到的细胞 迁移行为相似。
因此，将高度取向碳纳米管薄膜作为柔性起搏电极有望安全的给心脏提供电 起搏信号。
4.4高度取向碳纳米管薄膜的毒性测试实验
通过TUNEL染色凋亡细胞来评估玻璃片对照组、没有刺激的高度取向碳纳 米管薄膜(SA-CNTs)和电刺激下高度取向碳纳米管薄膜(E-SA-CNTs)的细胞 毒性。
实验结果显示：与玻璃片相比，没有刺激的高度取向碳纳米管薄膜和电刺激 下高度取向碳纳米管薄膜均未显示对心外膜细胞的显着细胞毒性。
4.5高度取向碳纳米管薄膜的上皮细胞间质化实验
上皮细胞间质化(EMT)是一种生物学过程，上皮细胞失去细胞极性和上皮 表型，转化为间充质细胞，并获得间质细胞表型，如增强的迁移和侵袭能力。可 通过免疫细胞化学和定量实时聚合酶链反应(qRT-PCR)评估SA-CNTs、 E-SA-CNTs和玻璃片上的细胞的EMT现象。
将小鼠胚胎心脏种植在SA-CNTs、E-SA-CNTs以及玻璃片对照组上。检测分 析在培养6天后的心外膜细胞中的EMT标记物α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)、 波形蛋白(Vimentin)、平滑肌肌球蛋白重链(sm-MHC)，以及上皮细胞间质 化诱导因子(TGF-β1)的mRNA表达水平。如图6所示，α-SMA的免疫染色表 明SA-CNTs促进心外膜细胞中α-SMA的表达增加，并且外部电刺激后的 E-SA-CNTs表现为进一步增强。如图7所示，通过qRT-PCR评估α-SMA、波形 蛋白、sm-MHC、TGF-β1的mRNA表达水平，显示高度取向碳纳米管薄膜使得 α-SMA的mRNA表达增加约37％，波形蛋白增加约30％，SM-MHC增加约80％， 以及EMT诱导因子TGF-β1的表达增加约40％，加上外部电刺激后的E-SA-CNTs 效果更佳。
实验结果表明：高度取向碳纳米管薄膜可促进胚胎小鼠心脏的心外膜细胞发 生上皮细胞间质化。
5.动力辅助单元的相关实验及性能分析
5.1电化学驱动器特性
动力辅助单元本身结构是电化学驱动器。如图9所示，其工作原理是基于双 电层现象，当在两个电极上施加电位差时，凝胶电解质中的离子(正极：H+，负 极：SO4 2-)向相应的电极运行以平衡内部电场。由于正离子和负离子的体积不同， 它们的定向运动和累积导致这两个电极附近发生不对称的体积变化，从而导致驱 动器变形，图10a、10b示意了花瓣型的动力辅助单元变形的情况。当外部电路 的电压反转时，驱动器向相反方向弯曲。因此，通过循环交流电压可以模拟心脏 搏动的收缩-舒张行为，如图10a、10b所示。
5.2电化学超级电容器特性
图11是花瓣型的动力辅助单元在不同扫描速率下的CV曲线图。通过具有 不同扫描速率的循环伏安法(CV)方法(电化学工作站)提供不同频率的交替 电压。该动力辅助单元是电化学驱动器也是电化学超级电容器，如图11中CV 曲线表面，该动力辅助单元在1Vs-1至25V s-1的扫描速率时表现出典型的超级 电容器行为，电位范围为-2.5V至+2.5V或-2.0V至+2.0V。将收缩率(CR)定 义为(舒张末期内径-收缩末期内径)/舒张末期内径×100％。在-2.5V至+2.5V 的工作电压范围内，花瓣形动力辅助单元的CR为19.4％，在-2.0V至+2.0V的 工作电压范围内为9.4％。虽然CR随着电位扫描速率的增加而降低，但在25V s-1的CR仍然是5V s-1时的CR的58％。
5.3评估花瓣型动力辅助单元的收缩行为
图12是心肌梗死后心衰心脏的收缩和舒张的示意图。事实上，正常的心脏 在泵血时会以向心的方式收缩。然而，对于心梗后心衰的心脏，梗死区域被纤薄 的纤维瘢痕所取代，失去舒缩能力，甚至表现出运动障碍，和反向运动并膨出； 而非梗死区域经历结构重塑，心肌变薄并发展为运动功能减退。
图11计算机模拟显示的花瓣型动力辅助单元的应力分布图。通过有限元方 法分析进一步评估动力辅助单元的收缩行为。如图11所示，计算机模拟的应力 分布图和结构变形图表明，花瓣形动力辅助单元的底部具有较大的应力和较小的 变形，而每个花瓣的顶部显示出较小的应力和较大的位置偏移。
结果表明：花瓣形结构的设计可以对纤薄的瘢痕区提供结构支撑，同时向心 肌收缩力下降的心肌提供额外的内向力。
5.4花瓣型动力辅助单元模拟收缩-舒张行为
花瓣型动力辅助单元的收缩-舒张模拟行为由交流电压控制：如图14所示， 1)当电压变化频率从5V s-1、10V s-1、15V s-1、20V s-1加速到25V s-1时，动力 辅助装置总是表现出快速的响应性，对应于30次/分钟、60次/分钟、90次/分钟、 120次/分钟和150次/分钟(bpm)的心率，远远超出了正常的心率范围(60-100 bpm)；2)当电压变化频率提高到25倍或工作电压窗口从±2.5V降低到±2.0V 时，收缩幅度减少10％。这种舒缩幅度随着频率加快而减小的现象与人类心脏的 情况类似，当心率上升时，射血分数减少。尤其是，对于患有心脏病的患者，心 率从83bpm增加到154bpm会导致射血分数减少31％。
综上，动力辅助单元是电驱动的动力辅助装置，可以为严重受损的心脏提供 收缩-舒张动力辅助。
6.心脏动力辅助装置的应用实验
采用离体家兔心脏验证本发明的心脏动力辅助装置的临床应用。由于心脏动 力辅助装置具有出色的柔韧性和轻质，因此心脏动力辅助装置可直接贴敷在离体 家兔心脏表面，覆盖心脏的心尖部分，包括左心室和右心室，呈图15a所示。然 后，将外接导线连接起搏器进行实验。实时监测心脏的心电图以显示心脏的搏动 节律。如图16所示，当开启连接起搏器的心脏动力辅助装置输出起搏信号时， 可以观察到连续且规则的心电图信号。
实验结果表明：该心脏动力辅助装置具有良好的起搏功能。这归功于MPS 优异的附着能力，并且能够与搏动的心脏一起收缩(如图15c所示)和舒张(如 图15b所示)。
7.心脏动力辅助装置的功能特性
心脏动力辅助装置整体呈花瓣型，作为的柔性起搏电极的高度取向碳纳米管 薄膜直接贴敷在动力辅助单元的上表面，柔性起搏电极的上表面对应包裹心脏的 心尖部分。通过上述实验分析可以知，本发明的心脏动力辅助装置可以实现以下 功能：
其一，作为的柔性起搏电极的高度取向碳纳米管薄膜提供的独特界面被证明 可以增强心外膜细胞的EMT并引导心外膜细胞的迁移，而这些细胞参与心脏再 生和修复。
其二，动力辅助装置显示出对外部交流电压的良好频率响应性，以及模拟天 然心脏的收缩舒张运动，为严重受损的心脏提供收缩-舒张动力辅助。
其三，花瓣形结构以改善心脏衰竭中恶化的心脏功能，为心脏梗死后的纤薄 的瘢痕区提供结构支撑。
其四，心脏动力辅助装置整体为柔性的，可直接贴敷在离体家兔心脏表面， 表现出优异的起搏功能，这使得该装置可以传递双心室起搏信号以校正双心室失 同步。
其五，心脏动力辅助装置作用于宿主心脏表面而不接触血液，从而避免了长 期抗凝治疗。并且避免了伴随传统机械循环辅助装置的血液有型成分破坏、严重 出血、血栓形成和感染等严重并发症。
综上所述，本发明的心脏动力辅助装置实现了将心脏再同步起搏、原位心脏 动力辅助和促心脏再生作用相结合，能够在心脏原位提供动力辅助和同步电脉冲 以恢复衰竭心脏的泵血功能，在恢复心力衰竭心脏的正常泵血功能方面尤其是对 心肌梗死后的衰竭心脏有着巨大潜能。进一步，电驱动动力辅助装置的应用可以 进一步扩展到功能紊乱或衰竭的其他动力器官，例如膀胱和胃，为未来的临床治 疗方案提供合理的选择。
上述实施方式仅为本发明的较佳案例，并不用来限制本发明的保护范围。凡 在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发 明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种心脏动力辅助装置，其特征在于，包括：
由3～10个条形多功能膜片构成的花瓣状结构，
所述条形多功能膜片的柔性起搏电极表面对应于所述花瓣状结构的内侧面，所述花瓣状结构的内侧面用于贴敷于心脏外表面，
所述花瓣状结构设置有用于连接起搏器的两对正负极外接导线，一对从柔性起搏电极引出，另一对从动力辅助单元引出，
其中，所述条形多功能膜片为由碳纳米管的多功能膜片制造成的条状结构；
所述碳纳米管的多功能膜片包括由高度取向碳纳米管薄膜制成的柔性起搏电极以及包含碳纳米管薄膜的动力辅助单元；
所述动力辅助单元包含由二个碳纳米管薄膜分别作为上表层和下表层以及离子填充的聚合物凝胶电解质作为中间层组成的三明治结构；
所述离子填充的聚合物凝胶电解质中，聚合物凝胶为聚乙烯醇、壳聚糖、海藻糖中的任意一种，并采用硫酸进行离子填充，硫酸的最终浓度为5％～10％；
所述三明治结构的上表面、下表面和四周采用无毒封装材料进行封装；
所述柔性起搏电极与所述三明治结构的上表面的无毒封装材料相贴合。
2.如权利要求1所述的心脏动力辅助装置，其特征在于：
其中，所述高度取向碳纳米管薄膜由1～15层的多壁碳纳米管构成。
3.如权利要求1所述的心脏动力辅助装置，其特征在于：
其中，所述无毒封装材料为硅橡胶、聚四氟乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯中任意一种。
4.如权利要求1所述的心脏动力辅助装置，其特征在于：
其中，所述条形多功能膜片的动力辅助单元作为电化学驱动器，通过所述起搏器输出0.5Hz～3Hz的交流电压，使得所述动力辅助单元呈现相应频率的摆动。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116943035B (zh) * 2023-06-29 2024-02-23 江苏省人民医院（南京医科大学第一附属医院） 一种无导线自驱动心脏起搏辅助装置及其制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6555945B1 (en) * 1999-02-25 2003-04-29 Alliedsignal Inc. Actuators using double-layer charging of high surface area materials
JP2008266532A (ja) * 2007-04-24 2008-11-06 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 高アスペクト比のカーボンナノチューブを用いた高配向性電極によるアクチュエータ素子
CN107224620A (zh) * 2017-06-06 2017-10-03 上海交通大学医学院附属新华医院 碳纳米管复合薄膜电极和仿生型心肌组织及其培育方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6685627B2 (en) * 1998-10-09 2004-02-03 Swaminathan Jayaraman Modification of properties and geometry of heart tissue to influence heart function
US9440003B2 (en) * 2005-11-04 2016-09-13 Boston Scientific Scimed, Inc. Medical devices having particle-containing regions with diamond-like coatings
CN103157180B (zh) * 2011-12-15 2015-04-01 清华大学 起搏器电极线及起搏器
FR3034258B1 (fr) * 2015-03-26 2021-12-17 Commissariat Energie Atomique Membrane poreuse, notamment membrane a electrolyte ou membrane de filtration, son procede de preparation, et dispositifs electrochimiques la comprenant.

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6555945B1 (en) * 1999-02-25 2003-04-29 Alliedsignal Inc. Actuators using double-layer charging of high surface area materials
JP2008266532A (ja) * 2007-04-24 2008-11-06 National Institute Of Advanced Industrial & Technology 高アスペクト比のカーボンナノチューブを用いた高配向性電極によるアクチュエータ素子
CN107224620A (zh) * 2017-06-06 2017-10-03 上海交通大学医学院附属新华医院 碳纳米管复合薄膜电极和仿生型心肌组织及其培育方法

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