北京化工大学杨丹教授和纳米能源所王中林教授/陈翔宇教授团队 AFM：基于高压摩擦纳米发电机与介电弹性体驱动器的自供电胰岛素注射泵

2023-03-30 来源：高分子科技

胰岛素泵治疗是一种胰岛素替代性疗法，主要用于I型糖尿病的治疗，可实现无痛、精准且高效的胰岛素注射。传统用于胰岛素泵治疗的注射泵通常结构较为刚性，长期佩戴易产生不适，多采用一次性或可充电电池供电，续航时间有限且注射剂量由内置程序控制，可调节性有待提升，这些问题在一定程度上会给患者带来使用上的不便。因此，设计一款可实现自供电效果且药物输送量更便于调节的柔性胰岛素注射泵具有十分重要的实用价值。

北京化工大学材料科学与工程学院杨丹教授团队与中科院纳米能源与系统研究所王中林教授/陈翔宇教授团队合作，构建了基于介电弹性体致动器的的柔性注射泵（DE-SSP）与具有高电压输出的摩擦纳米发电机（H-TENG），并成功使用H-TENG驱动了DE-SSP，实现了自供电柔性注射系统的构筑（图1）。该注射泵利用介电弹性体薄膜在施加电压条件下发生电致形变的特点，在介电弹性体薄膜上预先施加压力，当薄膜上施加电压后，薄膜扩张，进一步压迫液囊，实现液体输出（图2）。在直流高压电源供电情况下，该注射泵每次循环可输送的最大液体量为262.4μL（图3），而在H-TENG驱动情况下则为303.7 μL（图4），可以满足病人日常所需的注射量需求，该H-TENG极低的输出电流也保证了其使用过程中的操作安全。研究发现在H-TENG驱动条件下，DE-SSP的液体输送量与H-TENG的旋转角度具有很高的线性相关性，使用者可通过调节H-TENG的旋转角度，灵活便捷且较为精确地获得所需的注射量。此外，实验中所用到的相容性电极具有很好的生物相容性，进一步保证了使用安全（图5）。在当前研究的基础上引入血糖仪，则有望实现自供电的胰岛素闭环输送效果（图6）。基于高电压输出摩擦纳米发电机与介电弹性体致动器的可用于胰岛素泵治疗的自供电注射泵为介电弹性体与摩擦纳米发电机的交叉应用领域研究提供了一项优秀范例，并且在微型泵及药物输送泵领域有着十分巨大的应用潜力。

图1.自供电DE-SSP与传统胰岛素泵的对比。

图2.DE-SSP的结构设计及基本工作原理展示。

图3.直流高压电源驱动条件下DE-SSP的液体输送性能表征。

图4.高电压输出摩擦纳米发电机的性能及在其驱动下的DE-SSP的液体输送性能表征。

图5.顺应性电极材料的细胞毒性表征。

图6.使用DE-SSP模拟注射过程的照片以及有望在其与高输出摩擦纳米发电机结合的基础上，借助血糖仪实现胰岛素实时闭环输送的系统设计。

相关工作以“Self-Powered Syringe Pump for Insulin Pump Therapy Based on High-Voltage Triboelectric Nanogenerator and Dielectric Elastomer Actuator”为题发表在材料领域顶级期刊Advanced Functional Materials（10.1002/adfm.202213727）上。论文第一作者为北京化工大学材料科学与工程学院硕士生魏毅，通讯作者为北京化工大学杨丹教授与中科院纳米能源系统与研究所王中林教授及陈翔宇教授。该论文得到了国家自然科学基金、北京市科技新星计划以及中国教育部的中央高校基础研究基金的资助。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202213727

版权与免责声明：中国聚合物网原创文章。刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn，并请注明出处。

（责任编辑：xu）

【大中小】【打印】【关闭】

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯

更多>>科教新闻