CN104485835A - 一种生物相容性微型摩擦发电机 - Google Patents

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Abstract

一种生物相容性微型摩擦发电机，由上极板尼龙66包覆层、上极板聚左旋乳酸高分子对摩擦层、下基板乙基纤维素对摩擦层和下极板尼龙66包覆层组成，上极板材料为易获得电子的绝缘型聚左旋乳酸成型的板材，下极板为易失去电子的绝缘型乙基纤维素成型的板材，上、下极板的接触界面制作有不同形状的花纹图案，上、下极板按照凹凸相对紧密接触形成弧形空间，并采用生物相容性的尼龙66薄膜封装。本发明的优点是：该微型发电机结构简单、体积小、操作简单，置入体内后，经肌体运动、外部按摩、震动等挤压摩擦，产生微电压、电流，可作为植入体内的微型诊断、治疗设备的电源，广泛用于诊断、快速治疗和器官再生等医学领域。

Description

一种生物相容性微型摩擦发电机
技术领域
 本发明涉及将机械能转变成电能的微型发电技术，特别是一种生物相容性微型摩擦发电机。
背景技术
静电带电是一种非常古老的现象，可以追溯到公元前数百年，古希腊人和古代中国人发现被摩擦了的琥珀能够吸引小而轻的物体。但由于其产生的随机性和存储问题，使之一直被视为无用的能源，而未能得以发展。近年来，随着材料制备技术的进步，收集和存储环境中“无用”的能量，使之成为小型电子设备的能源已经成为可能。美国佐治亚理工学院王中林教授提出的摩擦电纳米发电机的概念，为缓解能源危机提供了一个新的途径。
天津理工大学陈民芳教授课题组多年来一直致力于生物相容性良好的生物材料的研究与探索，这些年来陈老师课题组在这方面取得了***的成果，在镁合金、钛合金、医用高分子聚乳酸方面都有相应的课题，特别是在可降解生物材料研究方面，更是取得了可喜的成绩。正是基于这个大环境，陈老师的课题组在得知摩擦纳米发电机伊始，就率先提出了生物相容性良好的摩擦纳米发电机的概念。在很多医疗事件中，也需要能源，例如心脏起搏器，但是传统的电池不能提供永久的电能，所以往往给患者带来了诸多的不便。如何有效的解决类似的问题，既可以永久的的提供我们需要的电能，又不失时机的在生物体内相容，这是一个造福全人类的课题，为我们解决类似问题提供了新的思路。
在多年的研究中，我们清晰的理解生物相容性材料对于患者的重大意义，特别是一些具有广泛认同的高分子材料，例如本实例中提到的聚乳酸和乙基纤维素，作为传统的生物高分子材料，良好的介电性是必不可少的，因此我们在实验中首先想到了这两种材料。
发明内容
本发明针对上面的技术分析，提供一种输出效率高、可操作性强且能够在实际中使用的生物相容性微型摩擦发电机，该微型摩擦发电机实现驱动体内体外微型摩擦发电机，加速体内组织修复的目的。
本发明的技术方案：
一种生物相容性微型摩擦发电机，由上极板尼龙66包覆层、上极板聚左旋乳酸高分子对摩擦层、下基板乙基纤维素对摩擦层和下极板尼龙66包覆层组成，上极板材料为易获得电子的绝缘型聚左旋乳酸成型的板材，下极板为易失去电子的绝缘型乙基纤维素成型的板材，上、下极板的接触界面制作有不同形状的花纹图案，上、下极板按照凹凸相对紧密接触形成弧形空间，并采用生物相容性的尼龙66薄膜封装。
所述上极板材料聚左旋乳酸的分子量为8-15万，上极板材的厚度为2-4mm、宽度为40-60mm、长度为60-70mm，采用刮膜机制备，具体步骤包括：
    1）将生物医用聚左旋乳酸颗粒按照质量比为1：5-7的比例置于有机溶剂二氯甲烷中，加热在40-60℃下搅拌均匀，直至在能够看到颜色均一的胶体；
    2）在铺膜机刮膜板上面放置锡箔纸且铺平，铺膜室抽真空，真空度为0.07-0.09MPa，然后将均一的聚左旋乳酸胶体倒入刮膜机中进行刮膜，控制膜的厚度为2-4 mm，长度、宽度均≥100mm，控制刮膜机温度为40℃，保温2h，取出板材，裁剪成宽度为40-60mm，长度为60-70mm的板材待用。
所述下极板材料乙基纤维素的分子量为80-150万，下极板材厚度为2-4mm，采用刮膜机制备，具体步骤包括：
1）将生物医用乙基纤维素颗粒按照质量比为1:5-1:7的比例置于乙二醇与乙醇混合的有机溶剂中，混合有机溶剂中乙二醇与乙醇的体积比分别为4:1、5:1、2:1，在40-60℃下搅拌均匀，直至能够看到颜色均一的胶体；
2）在铺膜机刮膜板上面放置锡箔纸且铺平，铺膜室抽真空，真空度为0.07-0.09MPa，然后将均一的乙基纤维素胶体倒入刮膜机中进行刮膜，控制膜的厚度为2-4mm，长度、宽度均≥100mm，控制刮膜机温度为40℃，保温2h，取出板材，裁剪成宽度为40-60mm，长度为60-70mm的板材待用。
所述上、下极板的接触界面花纹图案的凹凸个体形状为三菱柱、圆柱、圆锥、金字塔或圆台，其长、宽、高三维尺寸分别为1-10μm、1-10μm、1-100μm；花纹图案的制备方法是将剪切好的高分子有机物板材采用热压法、磁控溅射或离子刻蚀制得。
本发明的优点是：
该基于摩擦效应的生物相容性微型发电机，结构简单、体积小、操作简单，置入体内后，经肌体运动、外部按摩、震动等挤压摩擦，产生微电压、电流，即形成微型发电机，可作为植入体内的微型诊断、治疗设备的电源，也可直接作用于损伤部位，通过肌体运动或者外部按摩、震动等挤压摩擦产生的微电压而使细胞快速生长，进而使受损组织快速痊愈，可广泛用于诊断、快速治疗和器官再生等医学领域。该微型发电机与受损组织相连，提供高电压低电流，可以促进细胞生长，有加快组织愈合的功效。
【附图说明】
图1聚左旋乳酸和乙基纤维素为上下基板的生物摩擦电发电机结构示意图。
图中：1.上极板尼龙66包覆层、2.上极板聚左旋乳酸高分子对摩擦层、3.下基板乙基纤维素对摩擦层、4.下极板尼龙66包覆层。
【具体实施方式】
    以下所说明的具体实例旨在详细解读本发明的客观用途和为了使读者有直观的理解。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1：
一种生物相容性微型摩擦发电机，如图1所示，由上极板尼龙66包覆层1、上极板聚左旋乳酸高分子对摩擦层2、下基板乙基纤维素对摩擦层3和下极板尼龙66包覆层4组成，上极板材料为易获得电子的绝缘型聚左旋乳酸成型的板材，下极板为易失去电子的绝缘型乙基纤维素成型的板材，上、下极板的接触界面制作有不同形状的花纹图案，上、下极板按照凹凸相对紧密接触形成弧形空间，并采用生物相容性的尼龙66薄膜封装。
所述上极板材料聚左旋乳酸的分子量为15万，上极板材的厚度为4mm、宽度为60mm、长度为70mm，采用刮膜机制备，具体步骤包括：
将生物医用聚左旋乳酸颗粒按照质量比为1：5的比例置于有机溶剂二氯甲烷中，加热在40℃下搅拌均匀，直至在能够看到颜色均一的胶体；在铺膜机刮膜板上面放置锡箔纸且铺平，铺膜室抽真空，真空度为0.07MPa，然后将均一的聚左旋乳酸胶体倒入刮膜机中进行刮膜，控制膜的厚度为4 mm，长度、宽度均为100mm，控制刮膜机温度为40℃，保温2h，取出板材，裁剪成宽度为60mm，长度为70mm的板材待用。
所述下极板材料乙基纤维素的分子量为80万，下极板材厚度为4mm，采用刮膜机制备，具体步骤包括：
将生物医用乙基纤维素颗粒按照质量比为1:5的比例置于乙二醇与乙醇混合的有机溶剂中，混合有机溶剂中乙二醇与乙醇的体积比分别为5:1，在60℃下搅拌均匀，直至能够看到颜色均一的胶体；在铺膜机刮膜板上面放置锡箔纸且铺平，铺膜室抽真空，真空度为0.09MPa，然后将均一的乙基纤维素胶体倒入刮膜机中进行刮膜，控制膜的厚度为4mm，长度、宽度均为100mm，控制刮膜机温度为40℃，保温2h，取出板材，裁剪成宽度为460mm，长度为70mm的板材待用；具体方法是：
所述上、下极板的接触界面花纹图案的凹凸个体形状为圆柱，其直径为4μm，高度为10μm；花纹图案的制备方法是将剪切好的高分子有机物板材采用热压法制得，具体方法是：
    剪采购好的3000目的钢丝网，保证覆盖完全高分子板材，设置热压机温度为80℃，压力为8.0×106N/M2，热压5min，热压后在光学显微镜下能够看到规整的微图案。
    摩擦发电机的组装：将上下基板采取弹性粘结，用聚酰亚胺胶布进行封装，中间留有弹性空间余量，两极板采取接触分离式摩擦方式，对摩擦材料要求具有相应的弹性模量，韧性，刚性，可以自由回复，回复时间控制在3ms，才能获得良好的实验效果。
摩擦发电机的检测：将示波器、电源前置放大器、电压前置放大器与制作好的生物相容性良好的摩擦纳米发电机相连，进行输出电流、电压、电能以及功率的测量和计算。该微型摩擦发电机置入体内后，经肌体运动、外部按摩、震动等挤压摩擦，产生微电压、电流。通过测试发现，输出的峰值电压为150V，峰值电流为9μA。

Claims (4)

1.一种生物相容性微型摩擦发电机，其特征在于：由上极板尼龙66包覆层、上极板聚左旋乳酸高分子对摩擦层、下基板乙基纤维素对摩擦层和下极板尼龙66包覆层组成，上极板材料为易获得电子的绝缘型聚左旋乳酸成型的板材，下极板为易失去电子的绝缘型乙基纤维素成型的板材，上、下极板的接触界面制作有不同形状的花纹图案，上、下极板按照凹凸相对紧密接触形成弧形空间，并采用生物相容性的尼龙66薄膜封装。
2.根据权利要求1所述生物相容性微型摩擦发电机，其特征在于：所述上极板材料聚左旋乳酸的分子量为8-15万，上极板材的厚度为2-4mm、宽度为40-60mm、长度为60-70mm，采用刮膜机制备，具体步骤包括：
    1）将生物医用聚左旋乳酸颗粒按照质量比为1：5-7的比例置于有机溶剂二氯甲烷中，加热在40-60℃下搅拌均匀，直至在能够看到颜色均一的胶体；
    2）在铺膜机刮膜板上面放置锡箔纸且铺平，铺膜室抽真空，真空度为0.07-0.09MPa，然后将均一的聚左旋乳酸胶体倒入刮膜机中进行刮膜，控制膜的厚度为2-4 mm，长度、宽度均≥100mm，控制刮膜机温度为40℃，保温2h，取出板材，裁剪成宽度为40-60mm，长度为60-70mm的板材待用。
3.根据权利要求1所述生物相容性微型摩擦发电机，其特征在于：所述下极板材料乙基纤维素的分子量为80-150万，下极板材厚度为2-4mm，采用刮膜机制备，具体步骤包括：
1）将生物医用乙基纤维素颗粒按照质量比为1:5-1:7的比例置于乙二醇与乙醇混合的有机溶剂中，混合有机溶剂中乙二醇与乙醇的体积比分别为4:1、5:1、2:1，在40-60℃下搅拌均匀，直至能够看到颜色均一的胶体；
2）在铺膜机刮膜板上面放置锡箔纸且铺平，铺膜室抽真空，真空度为0.07-0.09MPa，然后将均一的乙基纤维素胶体倒入刮膜机中进行刮膜，控制膜的厚度为2-4mm，长度、宽度均≥100mm，控制刮膜机温度为40℃，保温2h，取出板材，裁剪成宽度为40-60mm，长度为60-70mm的板材待用。
4.根据权利要求1所述生物相容性微型摩擦发电机，其特征在于：所述上、下极板的接触界面花纹图案的凹凸个体形状为三菱柱、圆柱、圆锥、金字塔或圆台，其长、宽、高三维尺寸分别为1-10μm、1-10μm、1-100μm；花纹图案的制备方法是将剪切好的高分子有机物板材采用热压法、磁控溅射或离子刻蚀制得。
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