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北京化工大學楊丹教授和納米能源所王中林教授/陳翔宇教授團隊 AFM：基于高壓摩擦納米發電機與介電彈性體驅動器的自供電胰島素注射泵

2023-03-30 來源：高分子科技

胰島素泵治療是一種胰島素替代性療法，主要用于I型糖尿病的治療，可實現無痛、精準且高效的胰島素注射。傳統用于胰島素泵治療的注射泵通常結構較為剛性，長期佩戴易產生不適，多采用一次性或可充電電池供電，續航時間有限且注射劑量由內置程序控制，可調節性有待提升，這些問題在一定程度上會給患者帶來使用上的不便。因此，設計一款可實現自供電效果且藥物輸送量更便于調節的柔性胰島素注射泵具有十分重要的實用價值。

北京化工大學材料科學與工程學院楊丹教授團隊與中科院納米能源與系統研究所王中林教授/陳翔宇教授團隊合作，構建了基于介電彈性體致動器的的柔性注射泵（DE-SSP）與具有高電壓輸出的摩擦納米發電機（H-TENG），并成功使用H-TENG驅動了DE-SSP，實現了自供電柔性注射系統的構筑（圖1）。該注射泵利用介電彈性體薄膜在施加電壓條件下發生電致形變的特點，在介電彈性體薄膜上預先施加壓力，當薄膜上施加電壓后，薄膜擴張，進一步壓迫液囊，實現液體輸出（圖2）。在直流高壓電源供電情況下，該注射泵每次循環可輸送的最大液體量為262.4μL（圖3），而在H-TENG驅動情況下則為303.7 μL（圖4），可以滿足病人日常所需的注射量需求，該H-TENG極低的輸出電流也保證了其使用過程中的操作安全。研究發現在H-TENG驅動條件下，DE-SSP的液體輸送量與H-TENG的旋轉角度具有很高的線性相關性，使用者可通過調節H-TENG的旋轉角度，靈活便捷且較為精確地獲得所需的注射量。此外，實驗中所用到的相容性電極具有很好的生物相容性，進一步保證了使用安全（圖5）。在當前研究的基礎上引入血糖儀，則有望實現自供電的胰島素閉環輸送效果（圖6）。基于高電壓輸出摩擦納米發電機與介電彈性體致動器的可用于胰島素泵治療的自供電注射泵為介電彈性體與摩擦納米發電機的交叉應用領域研究提供了一項優秀范例，并且在微型泵及藥物輸送泵領域有著十分巨大的應用潛力。

圖1.自供電DE-SSP與傳統胰島素泵的對比。

圖2.DE-SSP的結構設計及基本工作原理展示。

圖3.直流高壓電源驅動條件下DE-SSP的液體輸送性能表征。

圖4.高電壓輸出摩擦納米發電機的性能及在其驅動下的DE-SSP的液體輸送性能表征。

圖5.順應性電極材料的細胞毒性表征。

圖6.使用DE-SSP模擬注射過程的照片以及有望在其與高輸出摩擦納米發電機結合的基礎上，借助血糖儀實現胰島素實時閉環輸送的系統設計。

相關工作以“Self-Powered Syringe Pump for Insulin Pump Therapy Based on High-Voltage Triboelectric Nanogenerator and Dielectric Elastomer Actuator”為題發表在材料領域頂級期刊Advanced Functional Materials（10.1002/adfm.202213727）上。論文第一作者為北京化工大學材料科學與工程學院碩士生魏毅，通訊作者為北京化工大學楊丹教授與中科院納米能源系統與研究所王中林教授及陳翔宇教授。該論文得到了國家自然科學基金、北京市科技新星計劃以及中國教育部的中央高校基礎研究基金的資助。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202213727

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（責任編輯：xu）

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