CN114748727A - 一种电渗泵以及胰岛素泵系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电渗泵及其应用，该所述电渗泵包括第一电极、第二电极和电渗泵多孔膜，其中，所述第一电极和第二电极的材质包括不锈钢网、金属网、金属涂层或镀金不锈钢网，所述电渗泵多孔膜为具有贯穿孔的改性聚碳酸酯膜；所述改性聚碳酸酯膜是具有贯穿孔的聚碳酸酯膜依次经聚多巴胺、聚乙二醇二胺和牛血清蛋白改性得到的。本发明提供的电渗泵柔软灵活、生物兼容性高、安全无菌，能够泵送输注高浓度胰岛素溶液，实现胰岛素泵的微型化和高效化，有利于集成治疗糖尿病的可穿戴医疗设备。

Description

一种电渗泵以及胰岛素泵系统
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以及胰岛素泵系统。
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，集成现有胰岛素泵的胰岛素驱动泵大多为机械泵，不能变形，不利于微型化和柔性化，不利于集成可穿戴医疗设备，并且，其对高浓度胰岛素的泵送效果较差，功耗也较大。
因此，急需研发出功耗小、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以及胰岛素泵系统，使用本发明提供的柔性高的电渗泵能够泵送输注高浓度胰岛素溶液，实现胰岛素泵的微型化和高效化，有利于集成治疗糖尿病的可穿戴医疗设备。具体内容如下：
第一方面，本发明提供一种电渗泵，所述电渗泵包括第一电极、第二电极和电渗泵多孔膜；
其中，所述第一电极为阳极电极，所述阳极电极的材质包括不锈钢网、金属网、金属涂层或镀金不锈钢网，所述第二电极为阴极电极，所述阴极电极的材质包括不锈钢网、金属网、金属涂层或镀金不锈钢网；
所述电渗泵多孔膜由具有贯穿孔的柔性膜经改性获得，所述改性包括：所述具有贯穿孔的柔性膜依次经聚多巴胺、聚乙二醇二胺和牛血清蛋白改性得到的，所具有贯穿孔述柔性膜为：聚碳酸酯径迹蚀刻膜、聚酯径迹蚀刻膜、聚四氟乙烯径迹蚀刻膜、聚酰亚胺径迹蚀刻膜。
可选地，所述电渗泵多孔膜的制备方法包括：将所述具有贯穿孔的柔性膜在pH8.5的聚多巴胺溶液中浸泡3-4h，去离子水冲洗后得到中间体材料，再将中间体材料在pH8.5的聚乙二醇二胺溶液中浸泡24h后，转移到pH7.4的牛血清蛋白溶液孵育24h，得到改性聚碳酸酯膜。
可选地，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，所述贯穿孔是所述柔性膜经中子、质子、重离子或高能粒子流轰击，然后经过化学刻蚀制备得到的。
可选地，所述贯穿孔的密度为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，本发明提供一种胰岛素泵系统，所述胰岛素泵系统包括胰岛素储存装置、电源装置、传感器装置、输注装置和上述第一方面所述的电渗泵装置，所述胰岛素泵系统用于胰岛素的自动泵送；
其中，所述胰岛素储存装置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；
所述传感器装置用于测量葡萄糖浓度，获得葡萄糖检测信号，并根据所述检测信号控制所述电渗泵的开启与关闭；
所述电渗泵用于驱动胰岛素的向输注装置流动；
所述输注装置用于完成胰岛素的注射。
可选地，所述胰岛素泵系统泵送的胰岛素浓度为1-500U/ml。
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，本发明提供的电渗泵装置作为胰岛素泵系统的组件用于驱动胰岛素输注，其采用经聚多巴胺、聚乙二醇二胺和牛血清蛋白改性柔性膜作为电渗泵多孔膜，能泵送高浓度胰岛素，且胰岛素泵送的稳定性高。同时，本发明提供的电渗泵结构简单，柔软灵活、生物兼容性高、安全无菌，厚度仅为35μm-1.8mm(电渗泵多孔膜的厚度在微米级，因此电渗泵的厚度具体取决于第一电极和第二电极的厚度选择)，使用无噪音，耗电少，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多孔膜的SEM图像；
图2示出了本发明实施例提供的电渗泵泵送胰岛素的流速相对值变化图。
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。
为获得能够泵送较高浓度(50U/ml-100U/ml)胰岛素的驱动泵装置，并且使电渗泵柔性化和微型化，本发明提供的技术构思为：依次使用聚多巴胺、聚乙二醇二胺和牛血清蛋白对具有贯穿孔的柔性膜(聚碳酸酯膜、聚酯径迹蚀膜、聚四氟乙烯膜、聚酰亚胺膜)进行改性，其中，使用聚多巴胺对具有贯穿孔的柔性膜进行改性后，膜表面会获得大量能够与聚乙二醇二胺和牛血清蛋白结合的结合位点，这些结合位点在后续的改性过程中与聚乙二醇二胺和牛血清蛋白相结合，最后获得改性后的具有贯穿孔的柔性膜，该膜用于电渗泵多孔膜时，膜表面的聚乙二醇二胺和牛血清蛋白能够有效减少输送液体中的蛋白质物质在电渗泵多孔膜的贯穿孔洞以及表面的吸附。因此，有助于电渗泵稳定的泵送浓度较大的胰岛素。此外，本发明使用的柔性膜材料造价便宜，具有较好的柔性和稳定性，且对聚碳酸酯膜的改性过程操作简便，有利于集成可穿戴医疗设备和商业化推广。
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，所述电渗泵包括第一电极、第二电极和电渗泵多孔膜，其中，所述第一电极为阳极电极，所述阳极电极的材质包括不锈钢网、金属网、金属涂层或镀金不锈钢网，所述第二电极为阴极电极，所述阴极电极的材质包括不锈钢网、金属网、金属涂层或镀金不锈钢网；所述电渗泵多孔膜由具有贯穿孔的柔性膜经改性获得，所述改性包括：所述具有贯穿孔的柔性膜依次经聚多巴胺、聚乙二醇二胺和牛血清蛋白改性得到的，所具有贯穿孔述柔性膜为：聚碳酸酯径迹蚀刻膜、聚酯径迹蚀刻膜、聚四氟乙烯径迹蚀刻膜、聚酰亚胺径迹蚀刻膜。
具体实施时，本发明采用具有贯穿孔的柔性膜材料作为制备电渗泵中电渗泵多孔膜的原材料，如聚碳酸酯径迹蚀刻膜、聚酯径迹蚀刻膜、聚四氟乙烯径迹蚀刻膜、聚酰亚胺径迹蚀刻膜，这些具有贯穿孔的柔性膜依次经聚多巴胺、聚乙二醇二胺和牛血清蛋白改性后作为电渗泵多孔膜使用，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(阳极电极)和第二电极(阴极电极)，第一电极紧挨在电渗泵多孔膜的一侧，第二电极紧挨在电渗泵多孔膜的另一侧；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。当通电后，第一电极和第二电极向电渗泵多孔膜施加电场，改性后的聚柔性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。
在一些实施方式中，所述电渗泵多孔膜的制备方法包括：将所述具有贯穿孔的柔性膜在pH8.5的聚多巴胺溶液中浸泡3-4h，去离子水冲洗后得到中间体材料，再将中间体材料在pH8.5的聚乙二醇二胺溶液中浸泡24h后，转移到pH7.4的牛血清蛋白溶液孵育24h，得到改性聚碳酸酯膜。
具体实施时，制备电渗泵多孔膜时，先将具有贯穿孔的柔性膜浸于pH8.5的聚多巴胺溶液中，室温下3h，这个过程中，利用聚多巴胺超强的粘附性，使其在聚碳酸酯膜表面形成一层数十纳米的粘性涂层，为聚乙二醇二胺(NH2-PEG-NH2)和牛血清蛋白在聚碳酸酯膜表面的结合提供大量的结合位点；然后将聚多巴胺(PDA)改性的膜(中间体材料)继续置于NH2-PEG-NH2溶液(1x PBS pH8.5)中，37℃保存24h这个过程中，中间体材料表面的结合位点结合大量PEG；进一步地，将PDA/PEG改性后的膜材料在牛血清蛋白溶液(1x PBS pH7.4)中室温孵育24小时，这个过程中，中间体材料表面剩余的，未结合PEG的位点在室温孵育过程中与牛血清蛋白相结合，最终得到被聚多巴胺(PDA)、PEG和牛血清蛋白改性的聚碳酸酯膜。该改性的聚碳酸酯膜用于电渗泵的电渗泵多孔膜时，PEG和牛血清蛋白能够有效减少输送液体中的蛋白质物质在电渗泵多孔膜的贯穿孔洞以及表面的吸附，有助于电渗泵泵送浓度较大的胰岛素。
在一些实施方式中，所述电渗泵多孔膜的厚度为5μm-200μm。
在一些实施方式中，所述贯穿孔是所述柔性膜经中子、质子、重离子或高能粒子流轰击，然后经过化学刻蚀制备得到的。图1示出了本发明实施例提供的电渗泵多孔膜的SEM图像，从图1中可以清晰的看到聚碳酸酯膜上分布的贯穿孔的情况。
在一些实施方式中，所述贯穿孔的密度为104-1010pore/cm2，所述贯穿孔的孔径为50nm-300nm。
第二方面，本发明提供一种胰岛素泵系统，所述胰岛素泵系统包括胰岛素储存装置、电源装置、传感器装置、输注装置和上述第一方面所述的电渗泵装置，所述胰岛素泵系统用于胰岛素的自动泵送；
其中，所述胰岛素储存装置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；
所述传感器装置用于测量葡萄糖浓度，获得葡萄糖检测信号，并根据所述检测信号控制所述电渗泵的开启与关闭；
所述电渗泵用于驱动胰岛素的向输注装置流动；
所述输注装置用于完成胰岛素的注射。
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装置、电源装置、传感器装置和输注装置集成在一起，形成用于自动输注输注胰岛素的胰岛素泵。其中，传感器装置获得葡萄糖浓度检测信号后与传感器装置的预设目标浓度进行比对，当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。
在一种实施方式中，本发明提供的胰岛素泵系统泵送的胰岛素浓度可以为1U/ml-500U/ml，实现对高浓度胰岛素的输注。
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
具有贯穿孔的聚碳酸酯膜的制备：将聚碳酸酯膜在高能粒子流下轰击，然后经化学刻蚀制备得到的，其中贯穿孔随机分布的。
具有贯穿孔的聚碳酸酯膜的改性过程为：先将膜浸于聚多巴胺(PDA)溶液(溶解于1倍PBS pH8.5)中，室温下3h。然后用去离子水对新改性的膜进行彻底的漂洗。然后，将PDA改性膜置于NH2-PEG-NH2溶液(1x PBS pH8.5)中，37℃保存24h。最后，将PDA/PEG改性膜在牛血清蛋白溶液(1x PBS pH7.4)中室温孵育24小时。
电渗泵的制备：采用铝网作为阳极，304不锈钢网作为阴极，改性后的具有贯穿孔的聚碳酸酯膜的宽度为1.5cm，长度为2cm。阳极和阴极紧挨着改性后的具有贯穿孔的聚碳酸酯膜的两侧放置。向阳极和阴极施加电压，电渗泵即可工作。
在测量流速过程中，用本实施例制备的电渗泵泵送浓度为100U/ml的胰岛素，每天收集微泵释放的胰岛素，用天平测量释放胰岛素的重量。然后根据每个胰岛素注射液的密度将重量换算成体积，计算出流速。
图1示出了本发明实施例提供的电渗泵泵送胰岛素的流速相对值变化图，如图1所示，对泵送浓度为100U/ml的胰岛素，本实施例提供的电渗泵在第一天泵送胰岛素的流速值为100％，那么在第21天时，依旧能保持相对于第一天流速值得70％的释放速度。而未改性得电渗泵装置仅可以释放低浓度胰岛素(浓度小于20U/ml)，并且稳定性随时间下降，总体释放可持续1-2天，之后，速度就为0了。
实施例2
具有贯穿孔的聚酯膜的制备：将聚膜在高能粒子流下轰击，然后经化学刻蚀制备得到的，其中贯穿孔随机分布的。
具有贯穿孔的聚酯膜的改性过程为：先将膜浸于聚多巴胺(PDA)溶液(溶解于1倍PBS pH8.5)中，室温下3h。然后用去离子水对新改性的膜进行彻底的漂洗。然后，将PDA改性膜置于NH2-PEG-NH2溶液(1x PBS pH8.5)中，37℃保存24h。最后，将PDA/PEG改性膜在牛血清蛋白溶液(1x PBS pH7.4)中室温孵育24小时。
电渗泵的制备：采用铝网作为阳极，304不锈钢网作为阴极，改性后的具有贯穿孔的聚酯膜的宽度为2cm，长度为2cm。阳极和阴极紧挨着改性后的具有贯穿孔的聚酯膜的两侧放置。向阳极和阴极施加电压，电渗泵即可工作。
本发明实施例提供的电渗泵泵送胰岛素的流速相对值变化情况与实施例相似，因此，不再重复给出。
以上对本发明所提供的一种电渗泵以及胰岛素泵系统进行了详细介绍，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 (9)

1.一种电渗泵，其特征在于，所述电渗泵包括第一电极、第二电极和电渗泵多孔膜；
其中，所述第一电极为阳极电极，所述阳极电极的材质包括不锈钢网、金属网、金属涂层或镀金不锈钢网，所述第二电极为阴极电极，所述阴极电极的材质包括不锈钢网、金属网、金属涂层或镀金不锈钢网；
所述电渗泵多孔膜由具有贯穿孔的柔性膜经改性获得，所述改性包括：所述具有贯穿孔的柔性膜依次经聚多巴胺、聚乙二醇二胺和牛血清蛋白改性得到的，所具有贯穿孔述柔性膜为：聚碳酸酯径迹蚀刻膜、聚酯径迹蚀刻膜、聚四氟乙烯径迹蚀刻膜、聚酰亚胺径迹蚀刻膜。
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制备方法包括：将所述具有贯穿孔的柔性膜在pH8.5的聚多巴胺溶液中浸泡3-4h，去离子水冲洗后得到中间体材料，再将中间体材料在pH8.5的聚乙二醇二胺溶液中浸泡24h后，转移到pH7.4的牛血清蛋白溶液孵育24h，得到改性聚碳酸酯膜。
3.根据权利要求1所述的电渗泵，其特征在于，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。
4.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。
5.根据权利要求1或2所述的电渗泵，其特征在于，所述贯穿孔是所述柔性膜经中子、质子、重离子或高能粒子流轰击，然后经过化学刻蚀制备得到的。
6.根据权利要求1或2所述的电渗泵，其特征在于，所述贯穿孔的密度为104-1010pore/cm2，所述贯穿孔的孔径为50nm-300nm。
7.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。
8.一种胰岛素泵系统，其特征在于，所述胰岛素泵系统包括胰岛素储存装置、电源装置、传感器装置、输注装置和上述权利要求1-6任一所述的电渗泵，所述胰岛素泵系统用于胰岛素的自动泵送；
其中，所述胰岛素储存装置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；
所述传感器装置用于测量葡萄糖浓度，获得葡萄糖检测信号，并根据所述检测信号控制所述电渗泵的开启与关闭；
所述电渗泵用于驱动胰岛素的向输注装置流动；
所述输注装置用于完成胰岛素的注射。
9.根据权利要求8所述胰岛素泵系统，其特征在于，所述胰岛素泵系统泵送的胰岛素浓度为1U/ml-500U/ml。
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