CN115313906B - 基于摩擦电纳米发电机的肺纤维化电场治疗系统及其应用 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于摩擦电纳米发电机的肺纤维化电场治疗系统，所述肺纤维化电场治疗系统包括摩擦电纳米发电机和成对绝缘电线，所述成对绝缘电线中的每根绝缘电线的一端均连接于所述摩擦电纳米发电机上；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。所述肺纤维化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，其产生的交变电场能直接作用于成纤维细胞，抑制成纤维细胞的增殖。同时该系统可进一步小型化、集成化和智能化，可对成纤维细胞产生持续杀伤，为肺纤维化患者提供便捷、舒适、个体化的电场治疗方案。
Description
技术领域
本申请涉及肺纤维化治疗技术领域，尤其是涉及一种基于摩擦电纳米发电机的肺纤维化电场治疗系统及其应用。
背景技术
肺纤维化是多种不同肺间质疾病的共同病理结局，以肺间质内成纤维细胞增殖、大量细胞外基质聚集，并伴炎症损伤、组织结构破坏为特征，可引起进行性呼吸困难并最终导致呼吸衰竭。特发性间质性肺炎中最常见的疾病类型是特发性肺纤维化，主要表现为肺纤维化病变。这是一种严重的间质性肺病，可导致肺功能的进行性丧失。在我国，特发性肺纤维化的发病率和死亡率逐年增加。诊断后的平均生存期仅为2.8年，死亡率高于大多数肿瘤。
成纤维细胞作为细胞中的一大类，可以产生和维持在解剖学上多样化的富含细胞外基质(ECM)的结缔组织阵列，以支持广泛的基本器官功能。成纤维细胞增殖和临时细胞外基质(ECM)的产生是组织对损伤的主要反应，成功的伤口修复过程受到严格的调控，ECM的合成和分解以及在上皮化之间保持平衡，而不受控制的细胞外基质产生可导致临床上纤维化疾病，包括特发性肺纤维化。成纤维细胞病灶是产生过量ECM成分的成纤维细胞/肌成纤维细胞聚集体。
目前，临床上缺乏针对纤维化的有效治疗措施。肺纤维化的药物治疗包括：吡非尼酮：吡非尼酮能够减缓患者的肺功能指标，如用力肺活量和一氧化碳弥散量的下降，延长患者的无进展生存期，同时降低死亡风险。尼达尼布：尼达尼布是一种多靶点酪氨酸激酶抑制剂，可以阻断成纤维细胞增殖、迁移和转化，从而抑制肺纤维化的发生。患者主要不良反应为腹泻、恶心、肝药酶升高等，中度或重度肝损伤患者禁用。糖皮质激素：常用药物有泼尼松、甲泼尼龙，治疗期间应注意激素的副作用，减量时应在数周到数月内缓慢减量，同时密切随访，防止疾病复发。非药物治疗包括：机械通气：无创正压通气对部分肺纤维化患者有着一定的治疗效果。肺移植：作为各种终末期肺疾病的主要治疗手段之一，可以改善肺纤维化患者的生活质量，延长生存期。
目前的药物治疗(在某些情况下，肺移植)可以将病人的寿命延长到从诊断到死亡之前预测的三到五年以上，但依旧没有治愈的办法。有创机械通气并不能使肺纤维化急性加重的患者病情缓解。肺移植手术技术要求高，移植后生存率不确定，费用昂贵等因素，仅推荐有条件、符合肺移植适应症的肺纤维化患者纳入等待名单，进行移植前评估。
因此需要提供一种新的用于肺纤维化的治疗手段。
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肺纤维化电场治疗系统，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的穿戴式肺纤维化电场治疗系统可以做到小型化、集成化和智能化，为肺纤维化患者提供新的治疗选择。
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肺纤维化电场治疗系统，所述肺纤维化电场治疗系统包括摩擦电纳米发电机和成对绝缘电线，所述成对绝缘电线中的每根绝缘电线的一端均连接于所述摩擦电纳米发电机上；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的肺纤维化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，所述旋转轮盘结构摩擦电纳米发电机产生的交变电场能够直接作用于成纤维细胞细胞，进而有效抑制成纤维细胞的增殖。TENGs将人体生物力学能量转化为电能，作为电场治疗设备的电源或者与治疗器件集成为一体化设备，可进一步缩小设备的体积，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，惠及更多肺纤维化患者。优化体系结构设计可以增加能量密度，并有可能为基于TENG的纤维化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的圆盘形丙烯酸板。
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5～8mm。
本申请中，通过将所述缓冲层的厚度控制在5～8mm，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80～100mm，厚度可以为8～10mm。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。
本申请中，所述成对绝缘电线具体分别与摩擦电纳米发电机上的正极引线和负极引线相连接。
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，所述肺纤维化电场治疗系统为穿戴式设备。
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肺纤维化电场治疗系统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，所述肺纤维化电场治疗系统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。
本申请中，当所述肺纤维化电场治疗系统用于成纤维细胞体外电场治疗时，所述系统中的成对绝缘电线中的每根绝缘电线的另一端均固定于培养皿的底部，且所述成对绝缘电线的间距可以为2～4mm，所述培养皿内容纳有成纤维细胞与培养液。例如，将成纤维细胞接种于所述培养皿中，并将与TENG连接的成对绝缘电线的另一端均固定于培养皿的底部，成对绝缘电线的间距为2mm。
本申请第二方面提供了一种如本申请第一方面所述的肺纤维化电场治疗系统在制备用于治疗肺纤维化疾病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肺纤维化电场治疗系统可产生交变电场直接作用于成纤维细胞，抑制成纤维细胞的增殖。同时该系统可进一步小型化、集成化和智能化，可对成纤维细胞产生持续杀伤，为肺纤维化患者提供便捷、舒适、个体化的电场治疗方案。因此本申请的基于摩擦电纳米发电机的肺纤维化电场治疗系统可以较好的应用在制备用于治疗肺纤维化疾病的医疗器械中。
在一些实施方式中，所述肺纤维化电场治疗系统中的转子的转速为200～600rpm。
本申请中，在转子的转速为200～600rpm下，所述肺纤维化电场治疗系统输出电荷保持稳定，约为45nC。在一些优选的实施方式中，所述转子的转速为600rpm。当转速为600rpm时，所述肺纤维化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，输出在24h内恒定，可以较好地抑制成纤维细胞增殖，进而应用于肺纤维化疾病的治疗中。
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肺纤维化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，其产生的交变电场能直接作用于成纤维细胞，抑制成纤维细胞的增殖。同时该系统可进一步小型化、集成化和智能化，可对成纤维细胞产生持续杀伤，为肺纤维化患者提供便捷、舒适、个体化的电场治疗方案。因此本申请的基于摩擦电纳米发电机的肺纤维化电场治疗系统可以较好的应用在制备用于治疗肺纤维化疾病的医疗器械中，为肺纤维化患者提供新的治疗选择。
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为实施例2中基于摩擦电纳米发电机的肺纤维化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200～600rpm下，TENG输出的电荷；图3b为在转子的转速为200～600rpm下，TENG输出的短路电流；图3c为在转子的转速为200～600rpm下，TENG输出的开路电压；图3d为在转子的转速为600rpm下，TENG在24h内输出的开路电压。
图4为基于摩擦电纳米发电机的肺纤维化电场治疗系统用于成纤维细胞体外电场治疗时的结构示意图。
图5为基于摩擦电纳米发电机的肺纤维化电场治疗系统用于成纤维细胞体外电场治疗时TENG驱动的电场对成纤维细胞增殖的抑制效果图。
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基于摩擦电纳米发电机的肺纤维化电场治疗系统。所述系统包括旋转轮盘结构摩擦电纳米发电机和成对绝缘电线，所述成对绝缘电线中的每根绝缘电线的一端均连接于所述旋转轮盘结构摩擦电纳米发电机上；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8mm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：基于摩擦电纳米发电机的肺纤维化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中的肺纤维化电场治疗系统中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200～600rpm下，TENG输出的电荷；图3b为在转子的转速为200～600rpm下，TENG输出的短路电流；图3c为在转子的转速为200～600rpm下，TENG输出的开路电压；图3d为在转子的转速为600rpm下，TENG在24h内输出的开路电压。
从图3a可知，在转子的转速为200～600rpm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24h内输出的开路电压恒定。
实施例3：基于摩擦电纳米发电机的肺纤维化电场治疗系统对成纤维细胞的体外电场治疗
采用实施例1中的基于摩擦电纳米发电机的肺纤维化电场治疗系统对体外培养的成纤维细胞进行体外电场治疗。
实验中采用的成纤维细胞为MRC5人胚胎肺成纤维细胞、NIH3T3小鼠胚胎成纤维细胞，均来自ATCC细胞库(ATCC，马纳萨斯，美国)。MRC5细胞用加有10％FBS、1％NEAA、1％sodium pyruvate以及2％sodiumbicarbonate的MEM培养，NIH3T3细胞用加有10％NCS的高糖DMEM，用完全培养基于37℃，5％CO2培养箱培养。传代培养的上述成纤维细胞接种在直径为35mm的培养皿中培养24小时，将连接于TENG的成对绝缘电线的另一端均固定于培养皿的底部，该部分绝缘电线完全浸入培养液内，进而对培养皿中的成纤维细胞施加交变电场，进行进行体外电场治疗，治疗时的结构示意图如图4所示。TENG产生交变电场持续作用成纤维细胞24小时，作用过程中TENG中转子的转速为600rpm，此时所述肺纤维化电场治疗系统输出的电荷约为45nC，短路电流(Isc)为4μA，开路电压(Voc)最高可达650V，输出在24h内恒定。
电场治疗24小时后使用CCK-8试剂盒检测细胞活力，用测酶标仪检测450nm波长下相应的吸光度，并计算细胞活力，进而获得TENG驱动的电场治疗对成纤维细胞活力的影响，结果如图5所示。
从图5可知，TENG驱动的电场治疗有效控制了两种成纤维细胞系增殖。与未经电场治疗的对照组相比，经TENG驱动的电场治疗后MRC5人胚胎肺成纤维细胞的活力降至12％，NIH3T3小鼠胚胎成纤维细胞的活力降至21％。表明TENG产生的交变电场在体外可显著抑制成纤维细胞的增殖。
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 (4)
1.一种基于摩擦电纳米发电机的肺纤维化电场治疗系统，其特征在于，所述肺纤维化电场治疗系统包括摩擦电纳米发电机和成对绝缘电线，所述成对绝缘电线中的每根绝缘电线的一端均连接于所述摩擦电纳米发电机上；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6mm，所述缓冲层的材料为泡沫；
每组电极网络中的扇形电极个数相同，均为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4个，所述摩擦材料的厚度为80μm，所述摩擦材料的动摩擦系数为0.04，所述摩擦材料为聚四氟乙烯膜；
所述肺纤维化电场治疗系统中的转子的转速为600rpm；
所述肺纤维化电场治疗系统输出的短路电流为4μA，开路电压最高为650V；
所述肺纤维化电场治疗系统为穿戴式设备。
2.根据权利要求1所述的肺纤维化电场治疗系统，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。
3.根据权利要求1所述的肺纤维化电场治疗系统，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。
4.一种如权利要求1-3中任意一项所述的肺纤维化电场治疗系统在制备用于治疗肺纤维化疾病的医疗器械中的应用。
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