CN104740759B

CN104740759B - 心脏纳米发电***

Info

Publication number: CN104740759B
Application number: CN201310733106.8A
Authority: CN
Inventors: 张�浩; 曲丹; 郎希龙; 徐志云
Original assignee: Second Military Medical University SMMU
Current assignee: Second Military Medical University SMMU
Priority date: 2013-12-26
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2017-10-20
Anticipated expiration: 2033-12-26
Also published as: CN104740759A

Abstract

本发明提供一种心脏纳米发电***，其特征在于，包括：发电主体，输出部，固定部以及封装层。其中，发电主体为多层薄膜结构，包括位于发电主体中心的压电材料层，以及位于压电材料层两侧的电极层，发电主体通过贴附于心脏表面以采集心脏能量用于产生电能。输出部与电极层相连接，用于将发电主体产生的电流输出。固定部位于发电主体的边缘，用于将发电主体固定于心外膜。封装层覆盖于发电主体、输出部以及固定部的表面。本发明为植入式电子设备的持续供电，免去了使用电池作为电源的必要，解决了电池能量耗竭后需要手术更换电池的问题。

Description

心脏纳米发电***

技术领域

本发明涉及一种心脏发电***，属于医疗器械领域。

背景技术

随着人类对各种疾病的认识不断深入，越来越多的疾病已经可以采用植入式电子装置进行诊断或治疗。然而，植入人体内的电子设备均需要使用电池供电，一旦电池能量耗竭，就需要通过手术的方式更换电池，这既会给患者造成生理上的痛苦以及心理上的恐惧和焦虑，还会增加患者及其家庭的经济负担。

在人体内部，心脏的收缩运动和血液的流动都具有大量的能量。这部分能量具有稳定和不间断的特点。如果能够采集其中一小部分能量并转化为电能，将有望为各种植入式医学电子装置供电。

然而，由于心脏是人体的“发动机”，不恰当的采集心脏动能必然会影响心脏的功能，甚至导致心脏损伤。传统的基于法拉第定律的电磁感应式发电机体积较大、结构复杂，因而不适合体内植入。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种心脏纳米发电***，其特征在于，包括：发电主体，输出部，固定部以及封装层。其中，发电主体为多层薄膜结构，包括位于发电主体中心的压电材料层，以及位于压电材料层两侧的电极层，发电主体通过贴附于心脏表面以采集心脏能量用于产生电能。输出部与电极层相连接，用于将发电主体产生的电流输出。固定部位于发电主体的边缘，用于将发电主体固定于心外膜。封装层覆盖于发电主体、输出部以及固定部的表面。

另外，在本发明的心脏纳米发电***中，还可以具有这样的特征：其中，发电主体的形状为四边形，固定部位于四边形的两条窄边的中间。

另外，在本发明的心脏纳米发电***中，还可以具有这样的特征：其中，发电主体的形状为三角形，固定部位于三角形的三个顶点。

另外，在本发明的心脏纳米发电***中，还可以具有这样的特征：其中，发电主体的形状为长圆形。

另外，在本发明的心脏纳米发电***中，还可以具有这样的特征：其中，压电材料层含有纳米级压电材料，纳米级压电材料为压电晶体、压电陶瓷和有机压电聚合物中的任意一种。

另外，在本发明的心脏纳米发电***中，还可以具有这样的特征：其中，压电晶体为至少一层氧化锌纳米线阵列。

另外，在本发明的心脏纳米发电***中，还可以具有这样的特征：其中，压电晶体、压电陶瓷、有机压电聚合物可以为纳米级压电材料的单层或多层结构。

另外，在本发明的心脏纳米发电***中，还可以具有这样的特征：植入式心脏发电***用于对心脏起搏器、心脏复律除颤器、脑起搏器、喉起搏器、膀胱起搏器、电子耳蜗、电子视网膜、胰岛素泵、血糖监测仪中的任意一种或几种进行供电。

另外，在本发明的心脏纳米发电***中，还可以具有这样的特征：其中，输出部具有输出电极和整流滤波电路。

另外，在本发明的心脏纳米发电***中，还可以具有这样的特征：其中，所述封装层以生物相容性好的柔性高分子绝缘材料作为封装材料。

发明的作用与效果

由于本发明采集心脏跳动的能量进行发电，因此只要心脏跳动，就可以持续产生电能，因此能够终生为植入人体的电子设备提供电能，避免了手术更换电池的必要。

根据本发明的心脏发电***，由于压电材料层的发电主体直接贴附于心脏表面，因此能够有效的将心脏的收缩与舒张使纳米压电材料发生形变，从而转化为电能。

本发明利用纳米水平的压电材料不仅能够产生电能，而且其体积微小，适合体内植入。

另外，由于本发明的心脏发电***采用点固定的方式将发电***固定于心外膜，一方面能够有效的采集心脏运动产生的能量，另一方面也不会对心脏的收缩和舒张运动产生明显的影响。

附图说明

图1是本发明实施例一的心脏纳米发电***的发电主体为四边形的示意图，

图2是本发明实施例一的心脏纳米发电***的发电主体的局部截面图；以及

图3是本发明实施例二的心脏纳米发电***的发电主体为三角形的示意图。

图4是本发明变形例中发电主体的形状示意图；以及

图5是本发明实施例一的电路图。

具体实施方式

以下结合附图来说明本发明的具体实施方式，

<实施例一>

图1是实施例1中心脏纳米发电***的发电主体为四边形的示意图，如图1所示，在心脏纳米发电***20中，发电主体21为矩形、多层薄膜结构，图2是本发明实施例的心脏纳米发电***的截面图，如图2所示，发电主体的中心层为压电材料层31，压电材料层31由ZnO纳米线阵列组成，压电材料层31的两侧分别为电极层32和电极层33，电极层32和电极层33分别与输出电极14相连接。封装层34位于电极层32和电极层33的外侧。整个心脏纳米发电***11的表面均覆盖有一层绝缘的封装层34，封装层34具有良好的绝缘性和生物相容性。固定部22位于矩形的两条窄边的中间，通过固定部22将发电主体21固定于心脏的外壁。固定部22由封装层构成，固定部22的内部没有压电材料与电极材料，因此在缝合固定的时候不会损伤发电主体21内部的发电元件。除固定部之外，发电主体的其余部分并不固定，以利于发电主体在心脏收缩的过程中更好的发生形变。由于发电主体采用了矩形，并且安装方向与心脏收缩的方向一致，因此可以很好的采集心脏收缩产生的机械能。

植入时通过外科手术的方式显露出心脏，将发电主体沿着心脏收缩的方向设置并将固定部缝合在心外膜上，使得发电主体与心外膜相贴合，此时发电主体会随着心脏的跳动产生形变。

图5是本发明实施例的电路图，如图5所示，发电主体21与整流滤波电路15相连接，发电主体21产生的电能经过整流滤波电路15后对电能存储单元16进行充电，电能存储单元16可用于为多种植入式电子设备即用电器进行供电。

<实施例二>

图3是本发明实施例的三角形的心脏纳米发电***示意图，如图3所示，本发明的心脏纳米发电***11的发电主体12为三角形，三角形的每个顶点位置均具有一个固定部13，输出电极14与电极层相连接，整流滤波电路15与输出电极14相连接，电能存储部16连接于整流滤波电路15之后用于存储发电部产生的电能。

图2是本发明实施例的心脏纳米发电***的截面图，如图2所示，发电主体的中心层为压电材料层31，压电材料层31由ZnO纳米线阵列组成，压电材料层31的两侧分别为电极层32和电极层33，电极层32和电极层33分别与输出电极14相连接。封装层34位于电极层电极层32和电极层33的外侧。

如图3所示，发电主体12的形状为三角形，在将其安装于心外膜上时，利用位于三角形三个顶点上的固定部13将发电主体12固定于心肌壁的心外膜上。而发电主体12的三角形的各个边并不固定，既不会限制心脏的收缩和舒张，还有助于压电材料层随着心脏的运动发生形变从而产生电能。

发电主体12制作成三角形的优点在于心脏跳动的过程中，不仅有横向的收缩和舒张，也有纵向的收缩和舒张，因此当采用三角形的形状时，应使得三角形的一个顶点向着心尖的方向，而另外两个顶点基本与心脏横向收缩的方向相平行。因此不论是心脏横向收缩是纵向收缩，均能够带动发电主体变形。因此三角形的形状比四边形的形状能够更多的利用心脏跳动产生的能量。

固定部13由封装层在相应的位置延展而形成，固定部13的内部不含有压电材料和电极材料，因此可以避免在缝合时损伤压电材料层和电极层。

<变形例>

本变形例与实施例一相比，除了发电主体的形状为与矩形相似的长圆形以外，其它的设置均相同。如图4所示，发电主体42的形状为长圆形，在长圆形的两个顶点处具有固定部41，发电主体42的形状为长圆形的优点在于没有尖锐的边角，有助于减轻对心脏的损伤。

当然，本发明的心脏发电***的发电主体的形状可以为多种形状，不仅限于上述两个实施例中的三角形、四边形和长圆形。

Claims

1.一种心脏纳米发电***，其特征在于，具有：

发电主体、输出部、固定部以及封装层，

其中，所述发电主体为多层薄膜结构，包括位于所述发电主体中心的压电材料层，以及位于压电材料层两侧的电极层，所述发电主体通过贴附于心脏表面以采集心脏能量用于产生电能，

所述输出部与所述电极层相连接，用于将发电主体产生的电流输出；

所述固定部位于所述发电主体的边缘，用于将发电主体沿着心脏收缩的方向固定贴合于心外膜，

所述封装层覆盖于所述发电主体、所述输出部以及所述固定部的表面。

2.如权利要求1所述的心脏纳米发电***，其特征在于：

其中，所述发电主体的形状为四边形，所述固定部位于四边形的两条窄边的中间使所述发电主体沿着所述心脏收缩的方向固定贴合于所述心外膜。

3.如权利要求1所述的心脏纳米发电***，其特征在于：

其中，所述发电主体的形状为三角形，所述固定部位于三角形的三个顶点使所述发电主体的两个顶点基本与心脏横向收缩的方向相平行地固定贴合于所述心外膜。

4.如权利要求1所述的心脏纳米发电***，其特征在于：

其中，所述发电主体的形状为长圆形，所述固定单元位于该长圆形的两个顶点使所述发电主体沿着所述心脏收缩的方向固定贴合于所述心外膜。

5.如权利要求1所述的心脏纳米发电***，其特征在于：

其中，所述压电材料层含有纳米级压电材料，所述纳米级压电材料为压电晶体、压电陶瓷和有机压电聚合物中的任意一种。

6.如权利要求5所述的心脏纳米发电***，其特征在于：

其中，所述压电晶体为至少一层氧化锌纳米线阵列。

7.如权利要求5所述的心脏纳米发电***，其特征在于：

其中，所述压电晶体、压电陶瓷、有机压电聚合物为单层或多层结构。

8.如权利要求1所述的心脏纳米发电***，其特征在于，还包括：

电能存储部，

其中，所述输出部包括整流滤波电路和输出电极，所述输出电极与所述电极层相连接，所述整流滤波电路与所述输出电极相连接，

所述电能存储部连接于所述整流滤波电路之后，用于存储所述发电主体产生的电能。

9.如权利要求8所述的心脏纳米发电***，其特征在于：

其中，所述电能存储部还用于为植入式电子设备进行供电，

所述植入式电子设备为心脏起搏器、心脏复律除颤器、脑起搏器、喉起搏器、膀胱起搏器、电子耳蜗、电子视网膜、胰岛素泵、血糖监测仪中的任意一种或几种。

10.如权利要求1所述的心脏纳米发电***，其特征在于：

其中，所述封装层以生物相容性好的柔性高分子绝缘材料作为封装材料。