CN115282479A - 一种基于摩擦电纳米发电机的肿瘤电场治疗系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基于摩擦电纳米发电机的肿瘤电场治疗系统及其应用。所述肿瘤电场治疗系统包括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。所述肿瘤电场治疗系统解决了现有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。

Description

一种基于摩擦电纳米发电机的肿瘤电场治疗系统及其应用

技术领域

本申请涉及癌症治疗技术领域，尤其是涉及一种基于摩擦电纳米发电机的肿瘤电场治疗系统及其应用。

背景技术

肿瘤电场治疗（TTFields）是一种通过便携式、无创的医疗器械实施的疗法，其原理是通过低强度（1-3V/cm）、中频（100-300kHz）交流电场治疗，已在多种肿瘤类型的相关研究中被证实可起到破坏肿瘤细胞有丝分裂、致使细胞周期停滞和诱导细胞凋亡的作用。TTFields的抗有丝分裂作用可能最终导致细胞死亡或形成具有不均匀染色体数目的异常分裂细胞，但对健康细胞没有影响。TTFields由附接到患者非侵入性换能器阵列和体外发电机组成，通过皮肤递送电场。其使用方法为将两对传感阵列紧密帖服于患者的身体上，通过便携式电场发生器产生中频低强度交变电场对患者进行治疗。具有非侵袭性、局部施放、持续性治疗等特点。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。

目前穿戴式肿瘤电场治疗装置通过皮肤递送电场，其对位于躯体深部的肿瘤不能直接作用。同时穿戴式肿瘤电场治疗设备比较复杂，包含换能器阵列和体外发电机等一系列设备，患者每日需要佩戴超过18个小时的情况下，对日常生活和工作影响较大。另外，肿瘤电场治疗需要连续不间断进行治疗，但目前的治疗费用达到每月21000美元，一般患者无法长期负担如此高昂的治疗费用。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本申请提供一种基于摩擦电纳米发电机的肿瘤电场治疗系统，摩擦电纳米发电机（TENG）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TENG的穿戴式/植入式肿瘤电场治疗系统可以做到小型化、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基于摩擦电纳米发电机的肿瘤电场治疗系统，所述肿瘤电场治疗系统包括摩擦电纳米发电机，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。

本申请中，所述基于TENG的肿瘤电场治疗系统中包括一种旋转轮盘结构摩擦电纳米发电机，旋转轮盘结构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。所述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。

在一些实施方式中，所述旋转轮盘结构摩擦电纳米发电机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，进而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。

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，所述肿瘤电场治疗系统除了含有所述摩擦电纳米发电机外，还可以含有其他装置（如佩戴装置等），本领域技术人员可以根据需要进行常规选择。

本申请第二方面提供了一种如本申请第一方面所述的肿瘤电场治疗系统在制备用于治疗癌症的医疗器械中的应用。

本申请中，所述基于摩擦电纳米发电机的肿瘤电场治疗系统可产生高电压小电流直接作用于肿瘤细胞，抑制肿瘤细胞增殖。同时该系统可进一步小型化、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。因此本申请的基于摩擦电纳米发电机的肿瘤电场治疗系统可以较好的应用在制备用于治疗癌症的医疗器械中。

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。

在一些实施方式中，所述癌症选自肺癌和乳腺癌中的至少一种。

本申请中，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。

本申请的有益技术效果：本申请所述基于摩擦电纳米发电机的肿瘤电场治疗系统中的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。同时该系统可进一步小型化、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。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。因此本申请的基于摩擦电纳米发电机的肿瘤电场治疗系统可以较好的应用在制备用于治疗癌症的医疗器械中，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。

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，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。

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；其中图4a为未经肿瘤电场治疗系统治疗的肿瘤细胞的细胞周期图，图4b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。

图6为TENG驱动的电刺激后的A549细胞的细胞周期分析图；其中图6A为通过流式细胞术分析检测A549细胞到不同细胞周期阶段的直方图；图6B为经电刺激处理和未经电刺激处理的A549细胞细胞周期示意图；图6C为经电刺激处理（右图）和未经电刺激处理（左图）的A549细胞细胞周期分布的饼图；图6D为经电刺激处理和未经电刺激处理的A549细胞周期G1前期（死亡细胞）的细胞百分比；图6E 为经电刺激处理和未经电刺激处理的A549细胞G1期的百分比；图6F为经电刺激处理和未经电刺激处理的A549细胞S期的百分比；图6G 为经电刺激处理和未经电刺激处理的A549细胞G2/M期的百分比。

图7为TENG驱动的电刺激后的A549细胞的凋亡情况图；其中图7a为经电刺激处理和未经电刺激处理的A549细胞的细胞凋亡率；图7b为经电刺激处理和未经电刺激处理的A549细胞代表性annexinV-FITC/PI染色流式细胞图。

图8为TENG驱动的电刺激后的A549细胞的线粒体膜电位变化图；其中8a为JC-1检测的经电刺激处理和未经电刺激处理的A549细胞线粒体膜去极化的荧光图像；比例尺，100um；图8b为图8a中通过ImageJ分析，所绘制的JC-1骨料（上）和JC-1单体（下）的三维表面图；图8c为图8a中JC-1单体与j-聚集体物的复合物的荧光强度的平均比值。

图9为TENG驱动的电刺激后的A549细胞内ROS产生图；其中图9A为经电刺激处理和未经电刺激处理的A549细胞内ROS H2DCFDA染色的代表性荧光图像和三维图；图9B为经电刺激处理和未经电刺激处理的A549细胞内ROS的H2DCFDA染色的定量。

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基于摩擦电纳米发电机的肿瘤电场治疗系统。所述系统包括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100 mm ，厚度为8 mm；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基于摩擦电纳米发电机的肿瘤电场治疗系统，所述肿瘤电场治疗系统中的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：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中的肿瘤电场治疗系统中TENG的输出性能，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，该系统中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，该系统中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，该系统中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，该系统中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，其中图4a为未经肿瘤电场治疗系统治疗的肿瘤细胞的细胞周期图，图4b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100ug/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100ug/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。

实施例5

使用细胞周期检测试剂盒(KeyGen，中国)进行细胞周期分析。从实施例4中经电刺激2h后的非小细胞肺癌细胞系A549培养物中收集细胞，用磷酸盐缓冲盐水（PBS）和2%胎牛血清洗涤。然后用冰冷的70%乙醇固定细胞，洗涤，并在含有10ug/mL碘化丙啶和10ug/mL牛RNA酶的溶液中重悬。30分钟后，用488nm激发激光在流式细胞仪的FL2通道中分析DNA含量，进而对TENG驱动的电刺激后的A549细胞的细胞周期进行分析，结果如图6所示。其中图6A为通过流式细胞术分析检测A549细胞到不同细胞周期阶段的直方图。图6B为经电刺激处理和未经电刺激处理的A549细胞细胞周期示意图；图6C为经电刺激处理（右图）和未经电刺激处理（左图）的A549细胞细胞周期分布的饼图；图6D为经电刺激处理和未经电刺激处理的A549细胞周期G1前期（死亡细胞）的细胞百分比；图6E 为经电刺激处理和未经电刺激处理的A549细胞G1期的百分比；图6F为经电刺激处理和未经电刺激处理的A549细胞S期的百分比；图6G 为经电刺激处理和未经电刺激处理的A549细胞G2/M期的百分比。

从图6可知，TENG驱动的电刺激抑制癌细胞A549的生长，引起细胞周期阻滞。只有5.49%的经电刺激处理后的A549细胞进入了细胞周期。此外，检测到经电刺激处理后的A549细胞G1前期细胞的显著增加，最有可能是发生了细胞凋亡。TENG驱动的电刺激诱导G1期细胞数量明显减少，细胞百分比在G1期从63.79%显著下降到4.55%。同样，细胞周期分析显示，将未经电刺激处理后的A549细胞S期（18.51%）和G2/M期（16%）的百分比高于经电刺激后处理的A549细胞（分别为1.25%和0.88%）。表明TENG驱动的电刺激诱导了有丝分裂停止，并显著增加了G1前期的峰值。

实施例6

采用流式细胞术分析电刺激后的A549细胞的凋亡情况。为了评估TENG驱动的电刺激下癌细胞A549的凋亡情况，使用FITCAnnexinV/PI细胞凋亡检测试剂盒（KeyGEN，中国）。从实施例4中经电刺激2h后的非小细胞肺癌细胞系A549培养物中收集细胞，细胞用胰蛋白酶消化，用含血清的培养基洗涤一次。转速为2.5 × 10⁵下离心收集细胞，在500uL的结合缓冲液中重新悬浮。然后将AnnexinV-FITC（5uL）和碘化丙啶(PI；5uL)加入细胞悬液中，室温避光孵育5min。流式细胞术分析AnnexinV-FITC结合和PI染色。数据由FlowJo®进行分析。结果如图7所示。其中图7a为经电刺激处理和未经电刺激处理的A549细胞的细胞凋亡率；图7b为经电刺激处理和未经电刺激处理的A549细胞代表性annexinV-FITC/PI染色流式细胞图，其中UL区：受损细胞（PI阳性/annexinV阴性）；UR区：晚期凋亡和死亡细胞（PI阳性/annexinV阳性）；LR区：早期凋亡细胞（PI阴性/annexinV阳性）；LL区：阴性细胞（PI阴性/annexinV阴性）。

如图7a所示，与未经电刺激处理的A549细胞（7.46%）相比，经电刺激处理的A549细胞的细胞凋亡率（41.06%）更高（P<0.0001）。此外，从图7b可知，TENG驱动的电刺激诱导了39.5%的癌细胞A549的早期凋亡，而对照组仅为3.09%。表明TENG驱动的电刺激对癌细胞的细胞毒性与细胞周期阻滞和诱导凋亡有关。

实施例7

1. JC-1染色法检测线粒体膜电位

线粒体是细胞死亡的关键调控因子，线粒体膜电位（MMP）的去极化是程序性细胞死亡的一个指标，我们通过JC-1染色检测了MMP。JC-1是一种荧光亲脂性碳氰染料，用于测定线粒体膜电位(Δψm)。JC-1在高ΔΨm值下形成被称为j-聚集体物的复合物。JC-1的j-聚集体物的复合物发出橙红色的荧光（Ex/Em=585/590nm）。而在ΔΨm值较低的细胞中，JC-1仍以单体形式存在，JC-1单体发出绿色荧光（Ex/Em=510/527nm）。从实施例4中经电刺激2h后的非小细胞肺癌细胞系A549培养物中收集细胞，细胞用JC-1染色后用LSM170共聚焦显微镜（Zeiss）对样品进行成像，结果如图8所示。其中图8a为JC-1检测的经电刺激处理和未经电刺激处理的A549细胞线粒体膜去极化的荧光图像；比例尺，100um；图8b为图8a中通过ImageJ分析，所绘制的JC-1骨料（上）和JC-1单体（下）的三维表面图；图8c为图8a中JC-1单体与j-聚集体物的复合物的荧光强度的平均比值。

从图8可知，在受电刺激的癌细胞A549中观察到显著的线粒体去极化，这一结果与凋亡实验的结果一致。

2. 细胞内ROS分析

由于线粒体是活性氧（ROS）的主要来源和靶点，线粒体功能障碍导致ROS积累，从而在线粒体损伤中形成恶性循环，进而导致细胞死亡。采用TENG敏感探针H2DCFDA检测TENG驱动的电刺激诱导的ROS。简而言之，将A549细胞接种到35mm共聚焦皿中，1×10⁴每孔，用TENG电刺激2小时（刺激方式同实施例4）。然后，将细胞与10uM H2DCFDA在37℃下孵育30min，并进行共聚焦激光荧光成像(CLSM)。使用ImageJ进行图像处理和数据分析，结果如图9所示；其中图9A为经电刺激处理和未经电刺激处理的A549细胞内ROS H2DCFDA染色的代表性荧光图像和三维图；图9B为经电刺激处理和未经电刺激处理的A549细胞内ROS的H2DCFDA染色的定量。

从图9可知，与未经电刺激处理的A549细胞相比，在TENG驱动的电刺激作用下，肿瘤细胞A549内ROS水平升高。表明，基于TENG的肿瘤电场治疗系统通过诱导线粒体去极化和ROS生成，最终导致肿瘤细胞死亡。

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 (10)

1.一种基于摩擦电纳米发电机的肿瘤电场治疗系统，其特征在于，所述肿瘤电场治疗系统包括摩擦电纳米发电机，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。

2.根据权利要求1所述的肿瘤电场治疗系统，其特征在于，所述旋转轮盘结构摩擦电纳米发电机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。

3. 根据权利要求2所述的肿瘤电场治疗系统，其特征在于，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；优选地，所述摩擦材料的边缘包覆所述缓冲层；进一步优选地，所述缓冲层的厚度为5~8 mm。

4.根据权利要求3所述的肿瘤电场治疗系统，其特征在于，所述缓冲层的材料为有回弹功能的材料；优选地，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。

5.根据权利要求2或3所述的肿瘤电场治疗系统，其特征在于，每组电极网络中的扇形电极个数相同，均为3~4个；优选地，所述两组电极网络中的扇形电极间隔排布；进一步优选地，所述扇形电极为扇形铜电极。

6.根据权利要求2或3所述的肿瘤电场治疗系统，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。

7.根据权利要求2或3所述的肿瘤电场治疗系统，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。

8.根据权利要求2或3所述的肿瘤电场治疗系统，其特征在于，所述扇形的摩擦材料的个数为3~4个；优选地，所述摩擦材料的动摩擦系数为0.02~0.05；进一步优选地，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；更进一步优选地，所述摩擦材料的厚度为60~80μm。

9.根据权利要求2或3所述的肿瘤电场治疗系统，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。

10.一种如权利要求1-9中任意一项所述的肿瘤电场治疗系统在制备用于治疗癌症的医疗器械中的应用；优选地，所述肿瘤电场治疗系统中的转子的转速为200~600 rpm；进一步优选地，所述癌症选自肺癌和乳腺癌中的至少一种。

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