CN115227977A - 一种肿瘤电脉冲化学治疗系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种肿瘤电脉冲化学治疗系统，其包括接触分离式摩擦纳米发电机、微电极和温控开关，所述接触分离式摩擦纳米发电机包括柔性基底层、绝缘高分子摩擦层、第一电极层和第二电极层；所述柔性基底层为三次翻转折叠形成的折叠结构，折叠状态下所述第一电极层和所述绝缘高分子摩擦层可相互接触或分离；微电极与所述接触分离式摩擦纳米发电机串联；当检测到温度处于T1～T2范围内时，所述第一温控开关和所述第二温控开关均闭合，形成通路。该治疗系统在病情严重时可辅助治疗以增强抗癌药物治疗效果，其制作简单、便携且使用方便。
Description
技术领域
本发明属于医疗技术领域，具体涉及一种肿瘤电脉冲化学治疗系统。
背景技术
脉冲电场可以提高化疗药物对肿瘤的治疗效果，但传统电脉冲装置质量体积庞大，便携性差，而且装置安全系数低，严重影响其临床应用。肿瘤的发生发展过程中，由于肿瘤缺血缺氧坏死和炎症反应等会释放内源性致热源如肿瘤坏死因子、白细胞介素等，引起发热，使体温升高。体温可以作为癌症患者病情的一个重要依据，癌症患者温度升高很大程度上是病情严重导致，但现有的电脉冲治疗装置并未结合患者体温进行针对性治疗。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种肿瘤电脉冲化学治疗系统，将化疗与电脉冲治疗相结合，利用高压电场对组织进行刺激，增大细胞膜通透性，使原本难以通过细胞膜的化学抗癌药物得以进入细胞，提高治疗效果。
本发明是通过以下技术方案实现：
一种肿瘤电脉冲化学治疗系统，其包括：
接触分离式摩擦纳米发电机，其包括柔性基底层、绝缘高分子摩擦层、第一电极层和第二电极层；所述柔性基底层为三次翻转折叠形成的折叠结构，展开状态下的所述柔性基底层一面依次间隔设有两个所述第一电极层和两个所述绝缘高分子摩擦层，另一面则仅在中部分别设有一个所述第一电极层和一个所述绝缘高分子摩擦层；所述第二电极层设于所述绝缘高分子摩擦层和所述柔性基底层之间；折叠状态下所述第一电极层和所述绝缘高分子摩擦层可相互接触或分离；
微电极，与所述接触分离式摩擦纳米发电机串联；
温控开关，包括与所述接触分离式摩擦纳米发电机和所述微电极串联的第一温控开关和第二温控开关，以控制电路的开合；当检测到温度处于T1～T2范围内时，所述第一温控开关和所述第二温控开关均闭合，形成通路。
与现有技术对比，本发明具有以下技术效果：
本发明的肿瘤电脉冲化学治疗系统引入温控开关调控电路的开闭，从而实现针对性治疗：在病情严重时提供电场，病情减缓时撤去电场。电场可以提高肿瘤细胞的细胞膜通透性，因此可以减少肿瘤药物的剂量达到肿瘤治疗效果。该治疗系统可以在降低药物毒副作用的同时提高治疗效果，同时实现自主实施，按需给药。
进一步地，所述微电极为平面叉指电极，其包括基板和叉指电极，所述叉指电极通过印刷、光刻、磁控溅射任一工艺形成于所述基板表面。优选的，基板可以选用柔性聚对苯二甲酸二醇酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(Kapton)等柔韧性材料，也可以选用石英玻璃、硅片等硬质材料。基板厚度为100μm～5000μm。
进一步地，所述微电极为叉指微针电极，其包括基板、叉指电极和微针电极，所述叉指电极通过印刷、光刻、磁控溅射任一工艺形成于所述基板表面，所述微针电极设于所述叉指电极表面。
进一步地，所述微针电极与所述叉指电极为相同材料一体成型。
进一步地，所述微针电极内部或表面含有化疗药物。所述微针电极可选用金属镁、铝、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、镓、锗、钼、钌、铑、钯、银、镉、铟、锡、铂、金等材料制得；也可选用具有电影响能力的导电聚合物及压电材料石墨烯、石墨、聚吡咯、聚苯胺、聚乙炔、聚对苯硫醚、聚对苯撑、聚噻吩、聚丙烯、氧化锌、聚偏氟乙烯、压电陶瓷、压电晶体及上述材料的掺杂材料制得。微针的底半径100μm～500μm之间；顶半径1μm～10μm之间；微针高度50μm～1500μm之间。
进一步地，所述微针电极内部或表面含有化疗药物。所述微针电极内部可包含化疗药物，化疗药物可以为阿霉素，紫杉醇，顺铂药物，博来霉素，阿帕替尼等；上述药物可于微针基质共混浇铸微针电极，也可涂覆或沉积于微针电极表面。
进一步地，所述柔性基底层为柔性绝缘材料，其厚度为100μm～10mm。柔性基底层可选聚对苯二甲酸二醇酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(Kapton)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚碳酸酯(PC)、聚酰胺(PA)、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、天然橡胶、丁基橡胶、丁苯橡胶、硅橡胶、环氧树脂、酚醛树脂、聚乳酸、聚乙烯醇、聚乳酸聚乙醇酸共聚物等材料中的一种或几种。
进一步地，所述第一电极层通过磁控溅射或电子束蒸发或化学沉积形成于所述绝缘高分子摩擦层表面，其厚度为20nm～500nm。第一电极层可以是导电金属镁、铝、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、镓、锗、钼、钌、铑、钯、银、镉、铟、锡、铂、金、导电金属氧化物如氧化铟锡及其他导电材料中的一种或几种，通过磁控溅射或者电子束蒸发或化学沉积于绝缘高分子摩擦层上。第一电极层还可以通过砂纸打磨、等离子刻蚀、阳离子注入等技术进行微针、微孔等表面结构设计和改性。
进一步地，所述绝缘高分子摩擦层厚度为10μm～1000μm。绝缘高分子摩擦层可以是聚对苯二甲酸二醇酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(Kapton)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚碳酸酯(PC)、聚酰胺(PA)、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、天然橡胶、丁基橡胶、丁苯橡胶、硅橡胶、环氧树脂、酚醛树脂、聚乳酸、聚乙烯醇、聚乳酸聚乙醇酸共聚物等材料中的一种或几种。绝缘高分子摩擦层还可以通过砂纸打磨、等离子刻蚀、阳离子注入等技术进行微针、微孔等表面结构设计和改性。
进一步地，所述第二电极层厚度为100μm～1000μm。第二电极层可以为导电金属镁、铝、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、镓、锗、钼、钌、铑、钯、银、镉、铟、锡、铂、金中的一种或几种。
进一步地，所述第一温控开关设置为温度低于T1时断开，温度高于T1时闭合；所述第二温控开关设置为温度高于T2时断开，温度低于T2时闭合。通过该设置，可使得电路仅在温度为T1～T2时导通，即治疗系统仅在病人体温处于T1～T2范围内才启动以辅助治疗。T1～T2温度范围为癌症病情严重时的温度，根据病人的实际情况存在个体差异。可选的，所述接触分离式摩擦纳米发电机的正负极分别通过第一温控开关和第二温控开关连接于所述微电极，优选电压范围为1V～1000V。
附图说明
图1为本发明一实施例的肿瘤电脉冲化学治疗系统的结构示意图；
图2为本发明一实施例的接触分离式摩擦纳米发电机的结构示意图；
图3为本发明一实施例的接触分离式摩擦纳米发电机展开状态正面示意图；
图4为本发明一实施例的接触分离式摩擦纳米发电机展开状态背面示意图；
图5为本发明一实施例的平面叉指电极的结构示意图；
图6为本发明另一实施例的平面叉指电极的结构示意图；
图7为本发明一实施例的微针叉指电极的结构示意图；
图8为本发明另一实施例的微针叉指电极的结构示意图；
图9为温度低于T1时电路示意图；
图10为温度高于T2时电路示意图；
图11为温度处于T1-T2之间的电路示意图；
图12为电路处于T1-T2温度时，对照组、阿霉素组和阿霉素+电场组的癌细胞的存活率对比柱状图。
图中：
1-接触分离式摩擦纳米发电机；2-微电极；3-第一温控开关；4-第二温控开关；
11-柔性基底层；12-绝缘高分子摩擦层；13-第一电极层；14-第二电极层；
21-基板；22-叉指电极；221-第一叉指电极；222-第二叉指电极；223-第三叉指电极；23-微针电极；231-第一微针电极阵列；232-第二微针电极阵列；233-第三微针电极阵列。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，但所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例，本发明的保护范围不限于此。
请参阅图1，本发明一实施例提供一种肿瘤电脉冲化学治疗系统，包括相互串联的接触分离式摩擦纳米发电机1、微电极2、第一温控开关3和第二温控开关4，该治疗系统通过第一温控开关3和第二温控开关4控制电路的开合，当检测到温度处于T1～T2范围内时，所述第一温控开关和所述第二温控开关均闭合，形成通路，对患者进行辅助治疗。
在一实施例中，接触分离式摩擦纳米发电机1通过引出电线将正负极分别与第一温控开关3和第二温控开关4连接，再分别连接至微电极2，从而形成回路。在其他实施例中，第一温控开关3和第二温控开关4也可以都串联在接触分离式摩擦纳米发电机1正极与微电极2之间，或都串联在接触分离式摩擦纳米发电机1负极与微电极2之间。
具体的，请参阅图2，其为本发明一实施例的接触分离式摩擦纳米发电机的结构示意图。在一实施例中，接触分离式摩擦纳米发电机1包括柔性基底层11、绝缘高分子摩擦层12、第一电极层13和第二电极层14。柔性基底层11为三次翻转折叠形成的折叠结构，请同时参阅图3～4，展开状态下的柔性基底层11正面依次间隔设有第一电极层13和绝缘高分子摩擦层12各两个，而背面则仅在中部分别设有一个第一电极层13和一个绝缘高分子摩擦层12；且背面的第一电极层13对应正面的绝缘高分子摩擦层12位置，背面的绝缘高分子摩擦层12对应正面的第一电极层13位置。绝缘高分子摩擦层12和柔性基底层11之间还设有第二电极层14。折叠状态下第一电极层13和绝缘高分子摩擦层12可相互接触或分离，由于摩擦起电效应，第一电极层13和绝缘高分子摩擦层12二者的摩擦电极性不同，它们之间会发生电荷转移而使得二者之间形成一个电势差；电势差将使得电子在第一电极层13和第二电极层14之间流动，以平衡薄膜间的静电电势差。一旦第一电极层13和绝缘高分子摩擦层12接触面再次重合，摩擦电荷产生的电势差消失，从而使电子反向流动。这样不断的接触和分离，接触分离式摩擦纳米发电机1的输出端将输出交变的电流脉冲信号，从而对外输出电能。接触分离式摩擦纳米发电机1输出电压1V～1000V之间。
优选的，柔性基底层11为柔性绝缘材料，其厚度为100μm～10mm。柔性基底层可选聚对苯二甲酸二醇酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(Kapton)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚碳酸酯(PC)、聚酰胺(PA)、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、天然橡胶、丁基橡胶、丁苯橡胶、硅橡胶、环氧树脂、酚醛树脂、聚乳酸、聚乙烯醇、聚乳酸聚乙醇酸共聚物等材料中的一种或几种。
优选的，所述绝缘高分子摩擦层12的厚度为10μm～1000μm。绝缘高分子摩擦层12可以是聚对苯二甲酸二醇酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(Kapton)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚碳酸酯(PC)、聚酰胺(PA)、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、天然橡胶、丁基橡胶、丁苯橡胶、硅橡胶、环氧树脂、酚醛树脂、聚乳酸、聚乙烯醇、聚乳酸聚乙醇酸共聚物等材料中的一种或几种。绝缘高分子摩擦层12还可以通过砂纸打磨、等离子刻蚀、阳离子注入等技术进行微针、微孔等表面结构设计和改性。
优选的，第一电极层13通过磁控溅射或电子束蒸发或化学沉积形成于绝缘高分子摩擦层12表面，其厚度为20nm～500nm。第一电极层13可以是导电金属镁、铝、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、镓、锗、钼、钌、铑、钯、银、镉、铟、锡、铂、金、导电金属氧化物如氧化铟锡及其他导电材料中的一种或几种，通过磁控溅射或者电子束蒸发或化学沉积于绝缘高分子摩擦层12表面。第一电极层13还可以通过砂纸打磨、等离子刻蚀、阳离子注入等技术进行微针、微孔等表面结构设计和改性。多个第一电极层13之间可以独立不想连，也可以通过导线连通。
优选的，第二电极层14厚度为100μm～1000μm。第二电极层14可以为导电金属镁、铝、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、镓、锗、钼、钌、铑、钯、银、镉、铟、锡、铂、金中的一种或几种。多个第一电极层14之间可以独立不想连，也可以通过导线连通。
在一实施例中，微电极2为平面叉指电极，其包括基板21和叉指电极22，基板21起支撑作用，其材料可选用柔性聚对苯二甲酸二醇酯(PET)，聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚酰亚胺(Kapton)等柔韧性材料，或石英玻璃，硅片等硬质材料，基板21的厚度优选为50μm～500μm。叉指电极22通过印刷、光刻、磁控溅射任一工艺形成于基板21表面。
请参阅图5和6，平面叉指电极中的叉指电极22可以为不同图案，如图5中的条形迷宫状或图6中的环形迷宫状，也可根据需要通过印刷、光刻、磁控溅射任一工艺制得其他形状的叉指电极22。
在另一实施例中，微电极2为叉指微针电极，其包括基板21、叉指电极22和微针电极23。基板21起支撑作用，其材料可选用柔性聚对苯二甲酸二醇酯(PET)，聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚酰亚胺(Kapton)等柔韧性材料，或石英玻璃，硅片等硬质材料，基板21的厚度优选为50μm～500μm。叉指电极22通过印刷、光刻、磁控溅射任一工艺形成于所述基板21表面，微针电极23设于叉指电极22表面。
微针电极23的材料可选用金属镁、铝、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、镓、锗、钼、钌、铑、钯、银、镉、铟、锡、铂、金等材料；也可选具有电影响能力的导电聚合物及压电材料石墨烯、石墨、聚吡咯、聚苯胺、聚乙炔、聚对苯硫醚、聚对苯撑、聚噻吩、聚丙烯、氧化锌、聚偏氟乙烯、压电陶瓷、压电晶体及上述的掺杂材料。微针电极23可以浇铸形成于叉指电极22表面，也可与叉指电极22采用相同材料一体成型。同时，微针电极23可含有化疗药物，如阿霉素，紫杉醇，顺铂药物，博来霉素，阿帕替尼等。上述药物可与微针电极23的基质材料共混浇铸形成微针，也可涂覆或沉积于微针表面。
请参阅图7和图8，叉指微针电极中的叉指电极22和微针电极23可以分别是同种材料制成，如图7所示；也可以由多种材料制成，如图8所示，叉指电极22包括分别由不同材料制得的第一叉指电极221、第二叉指电极222和第三叉指电极223；微针电极23包括分别由不同材料制得的第一微针电极阵列231、第二微针电极阵列232和第三微针电极阵列233，每组微针电极阵列可包含多个微针。
优选的，在一实施例中，第一温控开关13设置为温度低于T1时断开，温度高于T1时闭合；第二温控开关14设置为温度高于T2时断开，温度低于T2时闭合。治疗系统的电路仅在温度为T1～T2时导通，即治疗系统仅在病人体温处于T1～T2范围内才启动以辅助治疗。T1～T2温度范围为癌症病情严重时的温度，根据病人的实际情况存在个体差异。一般病人的正常体温在36-37℃之间。T1可以设置为37℃，T2可以设置为4145℃。第一温控开关13和第二温控开关14采用市面上常见的温控开关即可，其感温元件可以是温敏金属材料或任一种温度传感器。
本发明的肿瘤电脉冲化学治疗系统的使用方法如下：首先，低剂量化疗药物可以通过患者口服、静脉注射、瘤内注射或者微针电极23给药的方法服用，使化疗药物到达肿瘤部位。然后将第一温控开关3、第二温控开关4和微电极2通过手术植入或者体外固定于患者肿瘤部位。根据不同肿瘤部位，固定方式可以选择生物胶水粘连、绷带捆绑、胶带粘连等，患者应避免微电极2部位的剧烈运动使其脱落。接触分离式摩擦纳米发电机1可以有三种不同的安置方式：第一种方式是可以植入到体内，通过患者心脏跳动、呼吸等机械能产生接触分离；第二种方式为固定于人体关节处，患者关节活动驱动其工作；第三种方式则是放置到体外，通过患者拍打、踩踏等方式驱动其工作。请同时参阅图9～11，当患者病情严重，产生内源性致热源使体温高于T1时，第一温控开关3和第二温控开关4均闭合，治疗系统电路闭合，接触分离式摩擦纳米发电机1接触分离产生的电压通过导线传导到位于肿瘤部位的叉指电极22处，从而产生强电场，改变肿瘤细胞膜的通透性，增加细胞对化疗药物的摄取，促使细胞凋亡。当患者病情稳定后，体温逐渐下降回复到正常温度，电路断开，肿瘤处电场消失。这样的温控电路调节使该治疗系统仅在癌症严重的T1-T2时期增强治疗作用。
请参阅图12，为了验证该治疗系统的辅助治疗效果，分别设置三个实验组，当患者体温处于T1-T2时，对照组的患者不服药也不施加治疗系统辅助治疗；阿霉素组的患者服用或注射剂量为1μg/mL的抗癌药物阿霉素，不施加治疗系统辅助治疗；阿霉素+电场组的患者通过服用、注射或微针电极23给药的方式摄入1μg/mL阿霉素并采用肿瘤电脉冲化学治疗系统(接触分离式摩擦纳米发电机1电压输出600V)辅助治疗。从图12可以看出，三个实验组癌细胞24h存活率有明显区别，对照组癌细胞自由生长24h后的生存率为100％，阿霉素组则为60401％，而在阿霉素和600V电压输出的同时作用下，阿霉素+电场组的癌细胞存活率降低到32481％，辅助治疗效果明显。
在另外两组实验中，分别测试了1μg/mL阿霉素并采用肿瘤电脉冲化学治疗系统(电压输出200V)辅助治疗以及1μg/mL阿霉素并采用肿瘤电脉冲化学治疗系统(电压输出400V)辅助治疗的效果，在阿霉素和200V电压输出的同时作用下，癌细胞存活率为5546％；在阿霉素和400V电压输出的同时作用下，癌细胞存活率为4745％，相比阿霉素和600V电压输出的实验组效果较差。因此，接触分离式摩擦纳米发电机1电压输出在600V以上辅助治疗效果较佳。
综上，本发明提供了一种高度集成的温控肿瘤电脉冲化学治疗系统，通过温控开关控制电路的闭合，利用接触分离摩擦纳米发电机1提供电场，在病情严重时可辅助治疗以增强抗癌药物治疗效果，其制作简单、便携且使用方便，在自主实施可控药物递送领域具有极高的应用前景和价值。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简介，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述仅为本发明的部分实施例，并非因此限定本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所做出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种肿瘤电脉冲化学治疗系统，其特征在于，包括：
接触分离式摩擦纳米发电机，其包括柔性基底层、绝缘高分子摩擦层、第一电极层和第二电极层；所述柔性基底层为三次翻转折叠形成的折叠结构，展开状态下的所述柔性基底层一面依次间隔设有两个所述第一电极层和两个所述绝缘高分子摩擦层，另一面则仅在中部分别设有一个所述第一电极层和一个所述绝缘高分子摩擦层；所述第二电极层设于所述绝缘高分子摩擦层和所述柔性基底层之间；折叠状态下所述第一电极层和所述绝缘高分子摩擦层可相互接触或分离；
微电极，与所述接触分离式摩擦纳米发电机串联；
温控开关，包括与所述接触分离式摩擦纳米发电机和所述微电极串联的第一温控开关和第二温控开关，以控制电路的开合；当检测到温度处于T1～T2范围内时，所述第一温控开关和所述第二温控开关均闭合，形成通路。
2.根据权利要求1所述的一种肿瘤电脉冲化学治疗系统，其特征在于，所述微电极为平面叉指电极，其包括基板和叉指电极，所述叉指电极通过印刷、光刻、磁控溅射任一工艺形成于所述基板表面。
3.根据权利要求1所述的一种肿瘤电脉冲化学治疗系统，其特征在于，所述微电极为叉指微针电极，其包括基板、叉指电极和微针电极，所述叉指电极通过印刷、光刻、磁控溅射任一工艺形成于所述基板表面，所述微针电极设于所述叉指电极表面。
4.根据权利要求3所述的一种肿瘤电脉冲化学治疗系统，其特征在于，所述微针电极与所述叉指电极为相同材料一体成型。
5.根据权利要求3所述的一种肿瘤电脉冲化学治疗系统，其特征在于，所述微针电极内部或表面含有化疗药物。
6.根据权利要求1所述的一种肿瘤电脉冲化学治疗系统，其特征在于，所述柔性基底层为柔性绝缘材料，其厚度为100μm～10mm。
7.根据权利要求1所述的一种肿瘤电脉冲化学治疗系统，其特征在于，所述第一电极层通过磁控溅射或电子束蒸发或化学沉积形成于所述绝缘高分子摩擦层表面，其厚度为20nm～500nm。
8.根据权利要求1所述的一种肿瘤电脉冲化学治疗系统，其特征在于，所述绝缘高分子摩擦层厚度为10μm～1000μm。
9.根据权利要求1所述的一种肿瘤电脉冲化学治疗系统，其特征在于，所述第二电极层厚度为100μm～1000μm。
10.根据权利要求1所述的一种肿瘤电脉冲化学治疗系统，其特征在于，所述第一温控开关设置为温度低于T1时断开，温度高于T1时闭合；所述第二温控开关设置为温度高于T2时断开，温度低于T2时闭合。
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| CN115227977B (zh) | 2024-01-26 |
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