Adv. Mater.：基于摩擦納米發電機的自供電可植入藥物輸送系統

【引言】

微型植入設備具用于十分廣泛的應用，比如診斷檢測，刺激組織/器官，監測身體功能，成像和輸送藥物等等。例如，由于高效率的藥物輸送以及輸送時間和速度的良好控制，植入式藥物輸送系統（iDDS）使局部治療成為可能。它可用于治療眼部疾病，糖尿病和癌癥等等。

到目前為止，大多數這些設備需要外部電源如鋰離子電池來進行激活。如果可能的話，iDDS和電池越小越好。然而，小尺寸電池只能儲存有限的能量，從而限制了設備的使用壽命，這就需要進行頻繁的不必要的更換設備手術來維持治療。為了克服iDDS連續供電這一挑戰，關鍵要找到一種可持續供電的解決方案。

【成果簡介】

研究人員已經發明了摩擦納米發電機（TENG），提供了一種從環境中收集機械能然后轉換成電能的有效方法。它的結構十分簡單，因此可以極大的小型化，并且可以采用軟材料制作。在同一時間，TENG可以產生達幾毫瓦的輸出（mW）。因此，TENG可以植入人體，通過身體/器官的運動收集能源，從而成為植入式生物醫學設備的理想電源。

最近，中科院北京納米能源與系統研究所的王中林院士，朱光研究員以及新加坡南陽理工大學的Ken-Tye Yong副教授（共同通訊作者）等人首次提出了可以應用于藥物輸送的基于TENG的自供電植入式藥物輸送系統（iDDS）。該裝置包括一個由TENG供電的電化學微流體泵。他們研究了該自供電裝置的工作性能，并且在體外對豬的眼睛進行了經鞏膜藥物輸送實驗。其中，iDDS的電能就來源于通過TENG收集的能量。

【圖文導讀】

圖1 TENG和iDDS的結構設計和照片

（a）（b）（c）分別為基于TENG的iDDS的示意圖；TENG中零件的示意圖；iDDS的示意圖

（d）（e）分別為包有玻璃環氧樹脂的TENG照片以及iDDS的照片，標尺為10mm

（f）iDDS的側面照片，厚度為2mm

（g）iDDS放在手上的照片

圖2 基于TENG的自供電iDDS的工作原理

（a）TENG工作原理示意圖

（b）電化學壓力泵工作原理示意圖

（c）金電極的放大照片

（d）用電化學壓力泵產生氣泡的金電極的放大照片

（e）水電解原理

圖3 基于TENG的自供電iDDS的表征

（a）（b）分別為500轉速下TENG的斷路電壓和短路電流

（c）（d）分別為應用了變壓器和整流器的TENG的電壓和電流

（e）（f）分別為手旋轉模式下TENG的電壓和電流（圖中的電壓和電流不是同時測量）

圖4 基于TENG的自供電iDDS的泵性能

（a）（b）為常規電極和電極設計示意圖。黑箭頭表示電極間的間隙

（c）藥物泵送前的照片

（d）加壓泵貯過程中的照片

（e）（f）將水泵入PDMS微管顯微鏡圖。標尺為300μm

（g）泵水流速與TENG旋轉速度的函數

圖5 基于TENG的自供電iDDS的體外藥物輸送研究

（a）在前房內植入藥物輸送裝置示意圖

（b）植入手術后的實驗照片

（c）植入PDMS微管后的前房的放大照片。白色的箭頭指示微管插入點

（e）熒光微粒傳送前后前房的熒光顯微鏡圖像。標尺為200μm

【小結】

總之，TENG已被用于開發一種體積小、無需電池的植入式治療設備。研究人員首次提出來基于TENG的自供電植入式藥物輸送系統，并且證明了其給眼部輸送藥物的功能。通過調節TENG的轉速，已經可以實現在5.3到40μl min^?1之間調節泵的流量。并且，iDDS可以采用手動旋轉TENG裝置來充電。他們證明了基于TENG的iDDS可以在體外對豬的眼睛進行了經鞏膜藥物輸送。這項工作有利于促進在治療慢性疾病方面開發新的治療方法。

文獻鏈接：A Self-Powered Implantable Drug-Delivery System Using Biokinetic Energy（Adv. Mater., 2017, DOI:?10.1002/adma.201605668）

本文由材料人電子電工學術組風之翼供稿，材料牛整理編輯。

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