CN114699920A - 一种电渗泵及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电渗泵及其应用，该电渗泵采用具有贯穿孔的柔性膜作为电渗泵中输送液体的电渗泵多孔膜；电渗泵还包括第一电极和第二电极；其中，第一电极和第二电极为不锈钢网、金金属涂层或镀金不锈钢网，第一电极配置在电渗泵多孔膜的一侧，第二电极配置在电渗泵多孔膜的另一侧。本发明提供的电渗泵装置厚度仅为35μm‑1.8mm，功耗仅为1mW左右，成本仅为1美元左右，且制备结构简单，且无噪音，耗电少。此外，本发明提供的电渗泵装置柔软灵活、生物兼容性高、安全无菌，很容易地集成到一个灵活的闭环系统。通过将本发明提供的电渗泵应用于胰岛素泵的制备，能够实现胰岛素泵的微型化和降低胰岛素泵的价格的目的。

Description

一种电渗泵及其应用
技术领域
本发明属于电渗泵以及可穿戴医疗设备技术领域，特别涉及一种电渗泵及其应用。
背景技术
随着现实生活水平的不断提高，高唐摄食引起的糖尿病患者人数不断攀升，注射胰岛素作为常规治疗糖尿病手段，被越来越多的人使用，现有注射胰岛素方式有餐前人工注射和使用胰岛素泵自动注射两种方式，其中，使用胰岛素泵进行胰岛素输注，具有给药精细、平稳、灵活的优点，患者不再通过注射器或注射笔来皮下注射胰岛素，由于它十分精准，所以具有较好的糖尿病治疗效果。
胰岛素泵通常由泵装置、胰岛素存储装置(小注射器)和与之相连的输注装置组成。注射器装入泵中后，胰岛素存储装置将相连的输液管前端的引导针用注针器扎入患者的皮下(常规为腹壁)，再由电驱动胰岛素泵的螺旋马达推动小注射器的活塞，将胰岛素输注到体内。胰岛素泵的基本用途是模拟胰腺的分泌功能，按照人体需要的剂量将胰岛素持续地推注到使用者的皮下，保持全天血糖稳定，以达到控制糖尿病的目的。
然而，现有胰岛素泵的价钱昂贵，进口的泵每台4—5万元人民币，国产的泵每台2—3万元人民币。此外，现有胰岛素泵通常为固定形状的小型设备，难以进一步实现微型化和柔性化，因此，急需研发出成本低、功耗小、功效高和柔性化的微型胰岛素泵。
发明内容
为解决上述相关技术中存在的技术问题，本申请提供一种电渗泵及其应用，使用本发明提供的造价低、功耗小、具有柔性的电渗泵替代现有机械泵装置作为胰岛素泵中的驱动泵装置，实现胰岛素泵的微型化和降低胰岛素泵的价格的目的。具体内容如下：
第一方面，本发明提供一种电渗泵，所述电渗泵采用具有贯穿孔的聚碳酸酯径迹蚀刻膜、具有贯穿孔的聚酯径迹蚀刻膜、具有贯穿孔的聚四氟乙烯径迹蚀刻膜、或者具有贯穿孔的聚酰亚胺径迹蚀刻膜作为电渗泵多孔膜；
所述电渗泵还包括第一电极和第二电极；其中，所述第一电极和所述第二电极为不锈钢网、金金属涂层或镀金不锈钢网，所述第一电极紧挨在所述电渗泵多孔膜的一侧，所述第二电极紧挨在所述电渗泵多孔膜的另一侧。
可选地，所述电渗泵多孔膜的厚度为5μm-200μm。
可选地，所述电渗泵的厚度为35μm-1.8mm。
可选地，所述具有贯穿孔的聚碳酸酯径迹蚀刻膜、所述具有贯穿孔的聚酯径迹蚀刻膜、所述具有贯穿孔的聚四氟乙烯径迹蚀刻膜、或者所述具有贯穿孔的聚酰亚胺径迹蚀刻膜是由聚碳酸酯膜、聚酯膜、聚四氟乙烯膜或聚酰亚胺膜经中子、质子、重离子或高能粒子流轰击，然后再经过化学刻蚀形成的。
可选地，所述贯穿孔的分布密度为104-1010pore/cm2，所述贯穿孔的孔径为50nm-300nm。
可选地，所述不锈钢网包括304不锈钢网或316不锈钢网；
所述金属网包括铝网、钛网或铂网；
所述金属涂层包括金金属涂层或铂金属涂层。
第二方面，本发明提供一种电渗泵的应用，将上述第一方面所述电渗泵作为驱动胰岛素自动注射的驱动泵，用于胰岛素泵的制备中。
可选地，所述电渗泵的驱动电压为0.1V-20V，所述胰岛素浓度为 1-50U/ml。
可选地，所述胰岛素泵还包括胰岛素储存腔体和电源装置；
其中，所述胰岛素储存腔体用于存储待注射胰岛素；
所述电源装置用于为所述电渗泵供电。
可选地，所述胰岛素泵与传感器装置集成，形成闭环系统，其中，所述传感器装置用于接收葡萄糖浓度检测信号，并根据所述检测信号控制所述驱动泵的开启与关闭。
与普通胰岛素泵使用机械泵装置来驱动胰岛素的输注相比，本发明提供的胰岛素泵使用电渗泵作为驱动胰岛素输注装置，其采用微米级具有贯穿孔的聚碳酸酯径迹蚀刻膜、具有贯穿孔的聚酯径迹蚀刻膜、具有贯穿孔的聚四氟乙烯径迹蚀刻膜、或者具有贯穿孔的聚酰亚胺径迹蚀刻膜作为电渗泵多孔膜，大大减小电渗泵的体积。同时，本发明提供的电渗泵厚度仅为 35μm-1.8mm，功耗仅为1mW左右，成本仅为1美元左右，且制备结构简单，使用无噪音，耗电少。此外，本发明提供的电渗泵柔软灵活、生物兼容性高、安全无菌，很容易地集成到一个灵活的闭环系统。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例提供的电渗泵横截面结构示意图；
图2示出了本发明实施例提供的电渗泵的结构分解图；
图3示出了本发明实施例提供的电渗泵多孔膜的SEM图像；
图4示出了本发明实施例提供的电渗泵在不同工作电压下驱动胰岛素的流速变化图；
图5示出了本发明实施例提供的电渗泵在不同工作电压下产生的电流变化图；
图6示出了本发明实施例提供的电渗泵在不同电压下的功率消耗变化图；
图7示出了本发明实施例提供的电渗泵在不同胰岛素浓度下的流量变化图。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或者条件，按照本领域内的现有技术所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂以及其他仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
为实现胰岛素泵的柔性化和微型化，降低胰岛素泵的制备成本，本发明提供的技术构思为：使用具有贯穿孔的聚碳酸酯径迹蚀刻膜、具有贯穿孔的聚酯径迹蚀刻膜、具有贯穿孔的聚四氟乙烯径迹蚀刻膜、或者具有贯穿孔的聚酰亚胺径迹蚀刻膜作为电渗泵多孔膜来制备电渗泵，并将该电渗泵应用于胰岛素泵，来驱动胰岛素连续输注，由于聚碳酸酯膜造价便宜，具有较好的柔性和稳定性，是理想的制备电渗泵材料。
基于上述技术构思，本发明提供了一种电渗泵及其应用，具体实施内容如下：
第一方面，本发明提供一种电渗泵，所述电渗泵采用具有贯穿孔的聚碳酸酯径迹蚀刻膜、具有贯穿孔的聚酯径迹蚀刻膜、具有贯穿孔的聚四氟乙烯径迹蚀刻膜、或者具有贯穿孔的聚酰亚胺径迹蚀刻膜作为电渗泵多孔膜；
图1示出了本发明实施例提供的电渗泵横截面结构示意图，如图1所示，电渗泵包括第一电极1、电渗泵多孔膜2和第二电极3；其中，第一电极1 紧挨在电渗泵多孔膜2的一侧，第二电极3紧挨在电渗泵多孔膜2的另一侧；电渗泵的电渗泵多孔膜2可以是长方形的，可以是圆形的，也可以是其他任意形状，第一电极1与第二电极3的形状与电渗泵多孔膜2的形状相适配。图2示出了本发明实施例提供的电渗泵的结构分解图，图2中给出的电渗泵多孔膜的形状为长方形，第一电极与第二电极的形状相应的也是与其适配的长方形。并且，第一电极和第二电极的材质要求导电性能优异，可以为不锈钢网，如304不锈钢网、316不锈钢网，可以为金属网，如铝网、钛网、铂网，可以为金属涂层，如金金属涂层、铂金属涂层，也可以为镀金不锈钢网。
具体实施时，本发明采用柔软的具有贯穿孔的聚碳酸酯膜、具有贯穿孔的聚酯膜、具有贯穿孔的聚四氟乙烯膜、或者具有贯穿孔的聚酰亚胺膜作为制备电渗泵中电渗泵多孔膜的原材料，经化学刻蚀后形成电渗泵多孔膜，电渗泵多孔膜的两侧辅以能够向电渗泵多孔膜施加电场的第一电极和第二电极，当通电后，第一电极和第二电极向电渗泵多孔膜施加电场，聚碳酸酯膜的贯穿孔内壁形成双电层，在电场的作用下，双电层中的电荷会向带相反电荷的电极方向驱动，并拖动周围的液体流动，提供连续输液，且无机械磨损，有效降低功耗。
本发明提供的电渗泵体积小巧，柔软灵活，可以是任意形状，有利于集成可穿戴医疗设备。
具体实施时，电渗泵多孔膜上的贯穿孔的孔径和孔密度设计，以及施加电压大小的决定输注液体的流量和流速，以驱动胰岛素的输注为例，本发明控制聚碳酸酯膜的膜厚度为5μm-200μm，贯穿孔的孔径为50nm-300nm，密度为104-1010pore/cm2，驱动电压为0.1V-20V，上述条件下电渗泵驱动胰岛素过程中，不会在第一电极和第二电极处形成气泡，造成贯穿孔的堵塞情况，能够很好的保证胰岛素流速的均匀。
在一些实施方式中，电渗泵的厚度可以为35μm-1.8mm。
具体实施时，由于电渗泵多孔膜的厚度仅在5μm-200μm，因此，电渗泵的厚度主要取决于所选择的第一电极和第二电极的厚度，本发明实施例中，当第一电极和第二电极的材质为金属涂层(如金金属涂层、铂金属涂层)，第一电极和第二电极的厚度可以为20nm-200nm，因此，电渗泵的厚度在5μm-200μm；当第一电极和第二电极的材质为金属网(如铝网、钛网、铂网)、镀金不锈钢网或不锈钢网(如304不锈钢网、316不锈钢网)时，第一电极和第二电极的厚度在30μm-800μm，因此，组成电渗泵的厚度在35μm-1.8mm 左右。
在一些实施方式中，为保证电渗泵多孔膜上贯穿孔的孔径和孔密度，本发明中的具有贯穿孔的聚碳酸酯径迹蚀刻膜、具有贯穿孔的聚酯径迹蚀刻膜、具有贯穿孔的聚四氟乙烯径迹蚀刻膜、或者具有贯穿孔的聚酰亚胺径迹蚀刻膜可以是由聚碳酸酯膜、聚酯膜、聚四氟乙烯膜或聚酰亚胺膜经中子、质子、重离子或高能粒子流轰击，然后再经过化学刻蚀形成的。图3示出了本发明实施例提供的电渗泵多孔膜的SEM图像，从图3中可以清晰的看到聚碳酸酯膜上分布的贯穿孔的情况。
此外，由于本发明使用的是微米级柔性膜材料作为电渗泵中电渗泵多孔膜的原材料，因此，本发明提供的电渗泵具有微型化、可以依使用场景自由变形的特点，非常适合用于集成可穿戴医疗设备。
第二方面，本发明提供一种电渗泵的应用，将上述第一方面所述电渗泵作为驱动胰岛素自动注射的驱动泵，用于胰岛素泵的制备中。
具体实施时，所述胰岛素泵可以包括本发明提供的电渗泵、胰岛素储存腔体和电源装置，胰岛素储存腔体用于存储待注射胰岛素；电源装置用于为电渗泵供电。
在一些实施方式中，电渗泵驱动胰岛素输注的电压可以为0.1V-20V，驱动的胰岛素浓度可以为1-50U/ml。
具体实施时，将本发明提供的体积小巧，柔软灵活的电渗泵与胰岛素储存腔体、电源装置集成在一起，形成用于输注胰岛素的胰岛素泵，能够进一步减小胰岛素泵的制备成本的体积。
在一些实施方式中，所述胰岛素泵与传感器装置集成，形成闭环系统，其中，所述传感器装置用于接收葡萄糖浓度检测信号，并根据所述检测信号控制所述驱动泵的开启与关闭。
具体实施时，本发明将电渗泵用于胰岛素泵的驱动泵装置，进一步还可以将胰岛素泵与传感器装置集成，传感器装置获得葡萄糖浓度检测信号后与传感器装置预设目标浓度进行比对，当检测信号成正比。当间质葡萄糖浓度超过目标浓度时，传感器装置可以通过电路板向胰岛素泵发出开启电渗泵的命令。然后，启动的电渗泵通过输注装置进一步将胰岛素释放到人体皮下组织间，无需人工操作完成胰岛素的自动输注。
为使本领域技术人员更好地理解本发明，以下通过具体的实施例来说明本发明一种电渗泵及其应用。
实施例1
两个镀金不锈钢网放置在具有贯穿孔的聚碳酸酯膜的两侧，得到电渗泵。其中，贯穿孔孔径约为200nm，膜厚约为10μm，纳米孔高度约为10μm。纳米孔随机分布在表面，平均每平方微米有3.2个。如图1所示，电渗泵包括一个具有纳米孔的聚碳酸酯膜作为电渗泵多孔膜，两个镀金不锈钢网作为导电电极。聚碳酸酯膜的纳米孔内壁形成双电层。施加电场时，双电层扩散层中的电荷会被驱动到带相反电荷的电极，并拖动周围的液体流动。该方法可提供连续输液，且无机械磨损。进一步将连电渗泵接到一个外部电路。电渗泵一端连接胰岛素储存腔体，另一端连接壳聚糖微针。储药库中加入浓度为10U/ml的胰岛素溶液。然后，使用电化学工作站将不同的电压施加到泵两端的电极上。从微管针孔排出的胰岛素以单位时间被吸附纸吸收。用天平测量吸水纸的增重，得到流速。
具体实施时，图4示出了本发明实施例提供的电渗泵在不同工作电压下驱动胰岛素的流速变化图，如图4所示，胰岛素浓度为10U/ml时，不同电压下电渗泵下的胰岛素流量。当电压超过3V时，第一电极和第二电极处会产生气泡堵塞电渗泵多孔膜的贯穿孔，从而造成流速降低。因此，采用1-3V 作为电渗泵的工作电压较为合适，在3V电压下，最大流速为9.42μl/min。
图5示出了本发明实施例提供的电渗泵在不同工作电压下产生的电流变化图，如图5所示，电流在微安范围内，随着外加电压的增加而增大。电流范围为25μA～658μA，电压范围为1v～4v。3V的电压产生325μA的电流值。
图6示出了本发明实施例提供的电渗泵在不同电压下的功率消耗变化图，如图6所示，随着外加电压从1V增加到4V，器件的功耗从27μW增加到2600μW。计算流量后发现，随着电压的增加，单位功耗的流量减小，电渗泵的工作效率较低。因此，工作电压保持在1V-3V有利于保持合理的功耗。
图7示出了本发明实施例提供的电渗泵在不同胰岛素浓度下的流量变化图，如图7所示，随着胰岛素浓度从5U/ml增加到20U/ml，流速从44μl min-1下降到12μl min-1,当胰岛素浓度为50U/ml时，液体几乎停止流动。因此，本发明提供的电渗泵作为胰岛素的驱动泵装置，所驱动的胰岛素浓度可以为 1U/ml-50U/ml。
实施例2
聚酰亚胺膜用高能粒子流轰击，然后再经过化学刻蚀，形成具有贯穿孔的聚酰亚胺径迹蚀刻膜。将两个不锈钢网放置在具有贯穿孔的聚酰亚胺径迹蚀刻膜的两侧，得到电渗泵。其中，贯穿孔孔径约为80nm，膜厚为50μm，纳米孔高度为50μm。纳米孔随机分布在表面，平均每平方微米有4个。施加电场时，双电层扩散层中的电荷会被驱动到带相反电荷的电极，并拖动周围的液体流动。该方法可提供连续输液，且无机械磨损。
本实施例制备得到的电渗泵与实施例1中的外观图相似，区别仅为颜色、大小有所差异，为了节省说明书附图空间，本实施例中并未重复给出。
以上对本发明所提供的一种电渗泵及其应用进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种电渗泵，其特征在于，所述电渗泵采用具有贯穿孔的聚碳酸酯径迹蚀刻膜、具有贯穿孔的聚酯径迹蚀刻膜、具有贯穿孔的聚四氟乙烯径迹蚀刻膜、或者具有贯穿孔的聚酰亚胺径迹蚀刻膜作为电渗泵多孔膜；
所述电渗泵还包括第一电极和第二电极；其中，所述第一电极和所述第二电极为不锈钢网、金属网、金属涂层或镀金不锈钢网，所述第一电极紧挨在所述电渗泵多孔膜的一侧，所述第二电极紧挨在所述电渗泵多孔膜的另一侧。
2.根据权利要求1所述的电渗泵，其特征在于，所述电渗泵多孔膜的厚度为5μm-200μm。
3.根据权利要求1所述的电渗泵，其特征在于，所述电渗泵的厚度为35μm-1.8mm。
4.根据权利要求1所述的电渗泵，其特征在于，所述具有贯穿孔的聚碳酸酯径迹蚀刻膜、所述具有贯穿孔的聚酯径迹蚀刻膜、所述具有贯穿孔的聚四氟乙烯径迹蚀刻膜、或者所述具有贯穿孔的聚酰亚胺径迹蚀刻膜是由聚碳酸酯膜、聚酯膜、聚四氟乙烯膜或聚酰亚胺膜经中子、质子、重离子或高能粒子流轰击，然后再经过化学刻蚀形成的。
5.根据权利要求1所述的电渗泵，其特征在于，所述贯穿孔的分布密度104-1010pore/cm2，所述贯穿孔的孔径为50nm-300nm。
6.根据权利要求1所述的电渗泵，其特征在于，所述不锈钢网包括304不锈钢网或316不锈钢网；
所述金属网包括铝网、钛网或铂网；
所述金属涂层包括金金属涂层或铂金属涂层。
7.一种电渗泵的应用，其特征在于，将上述权利要求1-6任一所述电渗泵作为驱动胰岛素自动注射的驱动泵，用于胰岛素泵的制备中。
8.根据权利要求7所述应用，其特征在于，所述电渗泵的驱动电压为0.1V-20V，所述胰岛素浓度为1-50U/ml。
9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述胰岛素泵还包括胰岛素储存腔体和电源装置；
其中，所述胰岛素储存腔体用于存储待注射胰岛素；
所述电源装置用于为所述电渗泵供电。
10.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述胰岛素泵与传感器装置集成，形成闭环系统，其中，所述传感器装置用于接收葡萄糖浓度检测信号，并根据所述检测信号控制所述驱动泵的开启与关闭。
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