CN115051594B - 一种摩擦电纳米发电机及其应用 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种摩擦电纳米发电机及其应用。所述摩擦电纳米发电机为旋转轮盘结构摩擦电纳米发电机，其包括定子和位于定子上方并与之接触的转子，且所述定子和转子均固定于转轴上；所述定子包括固定电极层，所述固定电极层由两组电极网络组成，每组电极网络中均包括至少两个呈放射状排列的扇形电极，且每组电极网络中的扇形电极之间相互连接；所述转子包括旋转层，所述旋转层上包括至少两个扇形的摩擦材料，所述摩擦材料与所述固定电极层接触。基于所述TENG制备的肿瘤电场治疗系统提供的高电压小电流，可以直接抑制癌细胞的细胞增殖行为，且所述肿瘤电场治疗系统可以为穿戴式/植入式肿瘤电场治疗系统，能做到小型化、集成化和智能化。

Description

一种摩擦电纳米发电机及其应用

技术领域

本申请涉及癌症治疗技术领域，尤其是涉及一种摩擦电纳米发电机及其在制备肿瘤电场治疗系统中的应用。

背景技术

肿瘤电场治疗（TTFields）是一种创新的非侵入性治疗方法，它使用低强度和中频电场来治疗癌症。TTFields通过向肿瘤部位传递连续的交流电场，选择性地破坏有丝分裂并杀死快速分裂的癌细胞。作为一种非侵入性的抗有丝分裂治疗，TTFields选择性地影响分裂细胞，而静止细胞保持完整。美国食品和药物管理局（FDA）分别于2011年和2015年批准了电场疗法治疗复发性胶质母细胞瘤（GBM），以及电场疗法联合替莫唑胺用于治疗新诊断的GBM。2019年5月FDA批准 TTFields用于与化疗联合治疗恶性胸膜间皮瘤（MPM）患者的一线治疗。

目前为体内和体外（IOB）电刺激（ES）而开发的解决方案缺乏舒适、实用和独立使用所必需的自主特征。患者需要连续佩戴肿瘤电场治疗装置，中断时间最小，每天超过18小时，这不可避免地需要改变生活方式，从而导致生活方式的缺陷。TTFields的治疗费用约为每月21000美元，这对于长期的治疗来说是非常高昂的。TTFields设备通过皮肤递送电场，其对位于躯体深部的肿瘤不能直接作用，在治疗深部肿瘤方面面临着巨大的挑战。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本申请提供一种摩擦电纳米发电机（TENG），该摩擦电纳米发电机可以将人体日常运动中的机械能转化为电能，同时具有智能、灵活、柔性、可生物降解等特点。基于所述摩擦电纳米发电机制备的肿瘤电场治疗系统提供的高电压小电流，可以直接抑制癌细胞的细胞增殖行为，且所述肿瘤电场治疗系统可以为穿戴式/植入式肿瘤电场治疗系统，能做到小型化、集成化和智能化，解决了目前传统的穿戴式肿瘤电场治疗设备无法直接作用于深部肿瘤、装置复杂不便于日常使用、治疗费用高昂等问题。

为此，本申请第一方面提供了一种摩擦电纳米发电机，所述摩擦电纳米发电机为旋转轮盘结构摩擦电纳米发电机，其包括定子和位于定子上方并与之接触的转子，所述定子和转子均固定于转轴上；所述定子包括固定电极层，所述固定电极层由两组电极网络组成，每组电极网络中均包括至少两个呈放射状排列的扇形电极，且每组电极网络中的扇形电极之间相互连接；所述转子包括旋转层，所述旋转层上包括至少两个扇形的摩擦材料，所述摩擦材料与所述固定电极层接触。

本申请中，所述旋转层上的摩擦材料与固定电极层上的电极网络相接触，在驱动机构的作用下，旋转层上的摩擦材料转动，通过与两组电极网络的摩擦产生高电压小电流输出，该高电压小电流能够对肿瘤细胞施加交变电场。

本申请中，所述扇形电极的内径可以为30~40mm，外径可以为70~80mm，中心角可以为45~60度；所述扇形的摩擦材料的内径可以为30~40mm，外径可以为70~80mm，中心角可以为45~60度。

在一些实施方式中，所述转子还包括旋转层基材，且所述旋转层基材与所述旋转层上的摩擦材料之间设置有扇形的缓冲层。

本申请中，所设置的缓冲层能够起到缓冲和保持转子平衡的作用，进而保证摩擦材料与电极网络的有效接触，减少装配或操作时装置难度。同时所设置的缓冲层能够使摩擦材料与电极网络实现软接触，减轻器件磨损和电荷损耗。

本申请对所述旋转基材的形状没有明确限定。例如，所述旋转基材的形状可以为方形板或圆形板等。在一些具体实施方式中，所述旋转基材的形状为圆形板，其直径可以为70~80mm，厚度可以为8 ~10mm。

本申请中，所述旋转基材的材质具有绝缘性特性，例如亚克力基底。在一些具体实施方式中，所述旋转基材可以为直径为80mm的圆形丙烯酸板。

本申请中，所述转轴位于旋转基材的正中心，确保转子的动平衡以减少振动，降低机械损耗。

本申请中，所述转子可以为旋转基材表面承载有扇形的摩擦材料和缓冲层的凸台结构。

在一些优选的实施方式中，所述摩擦材料的边缘包覆所述缓冲层。通过上述设置可以防止摩擦材料在旋转的过程中边缘翘起。

在一些优选的实施方式中，所述缓冲层的厚度为5~8 mm。

本申请中，通过将所述缓冲层的厚度控制在5~8 mm，能够将所述缓冲层的作用发挥到最佳。若所述缓冲层的厚度太薄，缓冲层的缓冲作用会下降；若缓冲层的厚度太厚，不仅会浪费材料，同时也会使转子转动时振动过大，降低电荷产生的效率。

本申请中，所述扇形的缓冲层的内径可以为30~40mm，外径可以为70~80mm，中心角可以为45~60度。

在一些实施方式中，所述缓冲层的材料为有回弹功能的材料。

本申请中，通过选用有回弹功能的材料作为缓冲层的材料才能发挥所述缓冲层的缓冲作用。

在一些具体实施方式中，所述有回弹功能的材料选自泡沫、软胶质、海绵和橡胶中的至少一种。

在一些实施方式中，每组电极网络中的扇形电极个数相同，均为3~4个。

在一些具体实施方式中，每组电极网络中的扇形电极个数均为4个。

在一些实施方式中，所述两组电极网络中的扇形电极间隔排布。

在一些实施方式中，所述扇形电极为扇形铜电极。

在一些实施方式中，所述定子还包括绝缘基体，所述固定电极层固定于所述绝缘基体上。

本申请中，所述绝缘基体起支撑作用，上面承载有由扇形铜电极构成的电极网络，可以采用PCB加工工艺整体设计。本申请，所述绝缘基体的材质可以为FR-4环氧树脂、丙烯酸等。

在一些具体实施方式中，所述绝缘基体的形状为圆形板，其直径可以（80~100）mm，厚度可以为（8~10） mm。在另一些具体实施方式中，所述绝缘基体的形状为方形板，其尺寸可以（80~100） mm×（80~100） mm×（8~10） mm。

在一些实施方式中，所述定子还包括正极引线和负极引线；所述正极引线和负极引线分别与两组电极网络中的一组相连。

本申请中，与所述正极引线相连的电极网络为正极电极网络，与所述负极引线相连的电极网络为负极电极网络。

本申请中，所述正极引线和负极引线的线宽可以为10mil，正极引线和负极引线的表面有阻焊，通过过孔引线至电路板背面。

在一些实施方式中，所述扇形的摩擦材料的个数为3~4个。

在一些具体实施方式中，所述扇形的摩擦材料的个数为4个。此时扇形的缓冲层的个数也为4个。

在一些实施方式中，所述摩擦材料的厚度为60~80μm，例如为80μm。

在一些实施方式中，所述摩擦材料的动摩擦系数 为0.02~0.05。

本申请中，所述摩擦材料的动摩擦系数低，这样可以保证电荷输出，且损耗小、耐久度高。

在一些具体实施方式中，所述摩擦材料的材质选自聚四氟乙烯（PTFE）膜和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）膜中的至少一种。

本申请第二方面提供了一种如本申请第一方面所述的摩擦电纳米发电机在制备肿瘤电场治疗系统中的应用。

在一些实施方式中，所述肿瘤电场治疗系统中的转子的转速为200~600 rpm。

本申请中，在转子的转速为200~600 rpm下，所述肿瘤电场治疗系统输出电荷保持稳定。在一些优选的实施方式中，所述转子的转速为600 rpm。当转速为600rpm时，所述肿瘤电场治疗系统输出的短路电流（Isc）为4μA，开路电压（Voc）最高可达650V，可以较好地抑制肿瘤细胞增殖，进而应用于癌症的治疗中。

本申请中，所述癌症选自肺癌和乳腺癌中的至少一种。对于肺癌和乳腺癌，利用该系统进行短时间的电场治疗即可产生明显的抗肿瘤效果。

在一些实施方式中，所述肿瘤电场治疗系统为植入式设备或穿戴式设备。

本申请中，由于TENG具有柔性、生物相容性高、灵活、可降解等优点。因此基于其制备的小型化肿瘤电场治疗系统既可以作为植入式设备植入肿瘤局部，直接作用于躯体深部的肿瘤，也可以制成创可贴或者敷贴形式的小型穿戴式设备，方便患者长期持续治疗。

本申请中，所述摩擦电纳米发电机能够产生交变电流，直接作用于肿瘤细胞。由该摩擦电纳米发电机制备的肿瘤电场治疗系统产生的高电压小电流在短时间作用下可有效抑制肿瘤细胞增殖，产生细胞周期阻滞，增加肿瘤细胞凋亡。TENG将人体生物力学能量转化为电能，作为肿瘤电场治疗系统的电源或者与治疗器件集成为一体化设备，可进一步缩小系统的体积，达到微米级，可以实现实时自供电，不用外接发电机。TENG器件的低电流输出减少了热量的产生，使TENG器件在实现高电压输出的同时仍保持良好的生物活性和生物相容性，并避免了对周围正常组织的热损伤，具有良好的安全性。此外，将TENG技术与常规的制造技术和低成本材料相结合，成本低，可以降低治疗费用，惠及更多肿瘤患者。优化体系结构设计可以增加能量密度，并有可能为基于TENG的肿瘤电场治疗系统提供治疗监测一体化等多种功能。基于TENG的传感器可以长时间收集患者生理生化数据，通过人工智能对监测数据进行实时分析反馈，专业医务人员可通过远程系统实时操控治疗设备，实现远程个体化精准诊疗。

本申请的有益技术效果：本申请所述摩擦电纳米发电机可以将人体日常运动中的机械能转化为电能，具有智能、灵活、柔性、可生物降解等特点，其产生的高电压小电流直接作用于肿瘤细胞，能够明显抑制肿瘤细胞的增殖。此外，其制备材料价格低廉、生物相容性，成本低，可以降低治疗费用，惠及更多肿瘤患者。基于所述摩擦电纳米发电机制备的肿瘤电场治疗系统可以为穿戴式/植入式肿瘤电场治疗系统，能做到小型化、集成化和智能化，可对肿瘤产生持续杀伤，为肿瘤患者提供便捷、舒适、个体化的肿瘤电场治疗方案，因此能够较好地应用于癌症的治疗中。

附图说明

图1为实施例1中所述轮盘结构摩擦电纳米发电机中转子的俯视图和侧视图；其中附图中的附图标记的含义如下：1-旋转基材；2- 摩擦材料；3-转轴；4-缓冲层。

图2为实施例1中所述摩擦电纳米发电机中定子的俯视图；其中附图中的附图标记的含义如下：5-绝缘基体；6-负极电极网络；7-负极引线；8-正极电极网络；9-正极引线。

图3为基于摩擦电纳米发电机的肿瘤电场治疗系统中摩擦电纳米发电机输出性能图；其中图3a为在转子的转速为200~600 rpm下，该系统中TENG输出的电荷；图3b为在转子的转速为200~600 rpm下，该系统中TENG输出的短路电流；图3c为在转子的转速为200~600rpm下，该系统中TENG输出的开路电压；图3d为在转子的转速为600 rpm下，该系统中TENG在2h内输出的开路电压。

图4为本申请所述基于摩擦电纳米发电机的肿瘤电场治疗系统对肿瘤细胞生物学的影响示意图；其中a为未经肿瘤电场治疗系统治疗的肿瘤细胞的细胞周期图，b为经肿瘤电场治疗系统治疗的肿瘤细胞的细胞周期图。

图5为4种癌细胞经肿瘤电场治疗系统电刺激2h后的相对存活率示意图。

具体实施方式

为使本申请更加容易理解，下面将结合实施例来进一步详细说明本申请，这些实施例仅起说明性作用，并不局限于本申请的应用范围。本申请中所使用的原料或组分若无特殊说明均可以通过商业途径或常规方法制得。

下述实施例中采用SPSS20.0软件进行统计学分析。采用t检验对以平均±标准差(SD)表示的数据进行分析。差异的显著性处理如下：*代表p≤0.05，**代表p≤0.01，***代表p≤0.001，****代表p≤0.0001。

实施例1

本实施例提供了一种摩擦电纳米发电机，所述摩擦电纳米发电机包括旋转轮盘结构摩擦电纳米发电机，其包括定子（其俯视图如图2所示）和位于定子上方并与之接触的转子（其俯视图和侧视图如图1所示），所述定子和转子的正中心均固定于转轴3上；

所述转子包括旋转层基材1和旋转层，所述旋转层上包括4个扇形的摩擦材料2，所述摩擦材料2与所述固定电极层中的电极网络接触，在驱动机构的作用下，旋转层转动，通过与两组电极网络的摩擦产生高电压小电流输出，进而对肿瘤细胞施加交变电场；所述旋转层基材与所述旋转层上的摩擦材料之间设置有4个扇形的缓冲层4，所述扇形的缓冲层4与扇形的摩擦材料2叠合，所述旋转基材为圆形板，且所述转轴3位于所述旋转基材的正中心；

所述定子包括绝缘基体5和固定电极层，所述固定电极层固定于所述绝缘基体5上；所述固定电极层由两组电极网络组成，分别为一组负极电极网络6和一组正极电极网络8；所述负极电极网络6和正极电极网络8中均包括4个呈放射状排列的扇形电极，所述扇形电极为扇形铜电极，且每组电极网络中的扇形电极之间相互连接，且间隔排布；所述负极电极网络6与负极引线7相连，所述正极电极网络8与正极引线9相连；

所述扇形的摩擦材料2和扇形的缓冲层4的内径均为32mm，外径均为80mm，中心角均为45度；所述扇形的摩擦材料2为聚四氟乙烯（PTFE）膜，其摩擦系数为0.04，厚度为80μm；所述扇形的缓冲层4材料为泡沫，其厚度为6mm；所述旋转基材为直径为80mm，厚度为8 mm的圆形丙烯酸板；

所述扇形电极的内径为32mm，外径为80mm，中心角为45度；所述绝缘基体为圆形的丙烯酸板，直径为100mm，厚度为8mm；所述负极引线7和正极引线9的线宽为10mil。

实施例2

本实施例提供了一种摩擦电纳米发电机，所述摩擦电纳米发电机为旋转轮盘结构摩擦电纳米发电机，所述旋转轮盘结构摩擦电纳米发电机的结构基本同实施例1，不同之处在于，所述定子中的绝缘基体为方形的丙烯酸板，尺寸为100mm×100mm×8mm。

实施例3：摩擦电纳米发电机的输出性能检测。

TENG工作时，旋转层上的摩擦材料与固定电极层上的电极网络相接触，在驱动机构的作用下，旋转层上的摩擦材料转动，通过与两组电极网络的摩擦产生高电压小电流输出。采用可编程静电计（6514，凯思利仪器模型）测试实施例1中的TENG输出性能，结果如图3所示；其中图3a为在转子的转速为200~600 rpm下，TENG输出的电荷；图3b为在转子的转速为200~600 rpm下， TENG输出的短路电流；图3c为在转子的转速为200~600 rpm下，TENG输出的开路电压；图3d为在转子的转速为600 rpm下， TENG在2h内输出的开路电压。

从图3a可知，在转子的转速为200~600 rpm下， TENG输出的电荷约为45nC，输出电荷在转速在200~600rpm之间保持稳定。从图3b可知，在转子的转速为600rpm时，TENG输出的短路电流(Isc)可达4μA。从图3c可知，在转子的转速为200~600rpm时，TENG输出的开路电压(Voc)最高可达650V；从图3d可知，在转子的转速为600rpm时，TENG在2h内输出的开路电压恒定。

实施例4

采用实施例2中的摩擦电纳米发电机所制备的肿瘤电场治疗系统对培养的癌细胞进行电刺激；具体为将两条绝缘电线分别与正极引线和负极引线相连接，两条绝缘电线的一部分均被固定在培养皿的底部，该部分绝缘电线完全浸入培养液内，对培养皿中的肿瘤细胞施加交变电场。所述肿瘤电场治疗系统对肿瘤细胞生物学的影响示意图如图4所示，其中a为未经肿瘤电场治疗系统治疗的肿瘤细胞的细胞周期图，b为经肿瘤电场治疗系统治疗的肿瘤细胞的细胞周期图。

实验中采用的癌细胞为人非小细胞肺癌(NSCLC)细胞系A549、H1299和小鼠肺癌细胞系LLC和乳腺癌细胞系4T1，均来自ATCC细胞库(ATCC，马纳萨斯，美国)。A549和LLC细胞在DMEM（高糖）(Gibco)中培养，并添加10%胎牛血清(FBS)(Gibco)和100μg/mLPenStrep(Gibco)。H1299和4T1细胞在RPMI培养基(Gibco)中培养，并添加10%胎牛血清和100μg/mLPenStrep。所有细胞培养物均定期检查支原体污染。

将上述4种癌细胞分别接种在4个直径为35mm的培养皿（康宁，纽约，美国）中，每孔2 ×10⁴个细胞，并在5%CO₂、37℃的条件下孵育24小时。然后在转子的转速为600rpm的条件下，对上述4种癌细胞进行电刺激2h。电刺激24小时后，在显微镜明场观察细胞活力。然后使用CCK-8试剂盒检测细胞活力，并用多检测酶标仪检测了450nm波长下相应的吸光度。4种癌细胞经肿瘤电场治疗系统电刺激2h后的相对存活率示意图如图5所示。从图5可知，TENG驱动的电刺激有效控制了3种肺癌细胞系（A549、H1299、LLC）和1种乳腺癌细胞系（4T1）的细胞生长和增殖。与未处理的细胞相比，电刺激后的A549、H1299、LLC和4T1细胞的活力分别降低了24.79%、19.63%、22.79%和28.08%。表明短时间TENG驱动的高电压、低电流电刺激可显著抑制肺癌和乳腺癌细胞的增殖。

应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本申请，并不构成对本申请的任何限制。通过参照典型实施例对本申请进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本申请权利要求的范围内对本申请作出修改，以及在不背离本申请的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本申请涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本申请限于其中公开的特定例，相反，本申请可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (5)

1.一种摩擦电纳米发电机的应用，其特征在于，所述应用为所述摩擦电纳米发电机在制备肿瘤电场治疗系统中的应用；所述摩擦电纳米发电机为旋转轮盘结构摩擦电纳米发电机，其包括定子和位于定子上方并与之接触的转子，且所述定子和转子均固定于转轴上；所述定子包括固定电极层，所述固定电极层由两组电极网络组成，每组电极网络中均包括至少两个呈放射状排列的扇形电极，且每组电极网络中的扇形电极之间相互连接；所述转子包括旋转层，所述旋转层上包括至少两个扇形的摩擦材料，所述摩擦材料与所述固定电极层接触；

所述转子还包括旋转层基材，且所述旋转层基材与所述旋转层上的摩擦材料之间设置有扇形的缓冲层，所述摩擦材料的边缘包覆所述缓冲层；所述缓冲层的厚度为5～8mm，所述缓冲层的材料为有回弹功能的材料；

每组电极网络中的扇形电极个数相同，均为3～4个；所述两组电极网络中的扇形电极间隔排布；所述扇形电极为扇形铜电极；所述扇形的摩擦材料的个数为3～4个，所述摩擦材料的厚度为60～80μm，所述摩擦材料的动摩擦系数为0.02～0.05，所述摩擦材料选自聚四氟乙烯膜和聚对苯二甲酸乙二醇酯膜中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述有回弹功能的材料选自泡沫、软胶质、海绵和橡胶中的至少一种。

3.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于，所述定子还包括绝缘基体，所述固定电极层固定于所述绝缘基体上。

4.根据权利要求1或2所述的应用，其特征在于，所述定子还包括正极引线和负极引线；所述正极引线和负极引线分别与两组电极网络中的一组相连。

5.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，所述肿瘤电场治疗系统为植入式设备或穿戴式设备。

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