一種生物相容性微型摩擦發(fā)電的制造方法
【專(zhuān)利摘要】一種生物相容性微型摩擦發(fā)電機(jī)，由上極板尼龍66包覆層、上極板聚左旋乳酸高分子對(duì)摩擦層、下基板乙基纖維素對(duì)摩擦層和下極板尼龍66包覆層組成，上極板材料為易獲得電子的絕緣型聚左旋乳酸成型的板材，下極板為易失去電子的絕緣型乙基纖維素成型的板材，上、下極板的接觸界面制作有不同形狀的花紋圖案，上、下極板按照凹凸相對(duì)緊密接觸形成弧形空間，并采用生物相容性的尼龍66薄膜封裝。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：該微型發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、操作簡(jiǎn)單，置入體內(nèi)后，經(jīng)肌體運(yùn)動(dòng)、外部按摩、震動(dòng)等擠壓摩擦，產(chǎn)生微電壓、電流，可作為植入體內(nèi)的微型診斷、治療設(shè)備的電源，廣泛用于診斷、快速治療和器官再生等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種生物相容性微型摩擦發(fā)電機(jī)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能的微型發(fā)電技術(shù)，特別是一種生物相容性微型摩擦發(fā)電機(jī)。

【背景技術(shù)】
[0002]靜電帶電是一種非常古老的現(xiàn)象，可以追溯到公元前數(shù)百年，古希臘人和古代中國(guó)人發(fā)現(xiàn)被摩擦了的琥珀能夠吸引小而輕的物體。但由于其產(chǎn)生的隨機(jī)性和存儲(chǔ)問(wèn)題，使之一直被視為無(wú)用的能源，而未能得以發(fā)展。近年來(lái)，隨著材料制備技術(shù)的進(jìn)步，收集和存儲(chǔ)環(huán)境中“無(wú)用”的能量，使之成為小型電子設(shè)備的能源已經(jīng)成為可能。美國(guó)佐治亞理工學(xué)院王中林教授提出的摩擦電納米發(fā)電機(jī)的概念，為緩解能源危機(jī)提供了一個(gè)新的途徑。
[0003]天津理工大學(xué)陳民芳教授課題組多年來(lái)一直致力于生物相容性良好的生物材料的研究與探索，這些年來(lái)陳老師課題組在這方面取得了豐碩的成果，在鎂合金、鈦合金、醫(yī)用高分子聚乳酸方面都有相應(yīng)的課題，特別是在可降解生物材料研究方面，更是取得了可喜的成績(jī)。正是基于這個(gè)大環(huán)境，陳老師的課題組在得知摩擦納米發(fā)電機(jī)伊始，就率先提出了生物相容性良好的摩擦納米發(fā)電機(jī)的概念。在很多醫(yī)療事件中，也需要能源，例如心臟起搏器，但是傳統(tǒng)的電池不能提供永久的電能，所以往往給患者帶來(lái)了諸多的不便。如何有效的解決類(lèi)似的問(wèn)題，既可以永久的的提供我們需要的電能，又不失時(shí)機(jī)的在生物體內(nèi)相容，這是一個(gè)造福全人類(lèi)的課題，為我們解決類(lèi)似問(wèn)題提供了新的思路。
[0004]在多年的研究中，我們清晰的理解生物相容性材料對(duì)于患者的重大意義，特別是一些具有廣泛認(rèn)同的高分子材料，例如本實(shí)例中提到的聚乳酸和乙基纖維素，作為傳統(tǒng)的生物高分子材料，良好的介電性是必不可少的，因此我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中首先想到了這兩種材料。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)上面的技術(shù)分析，提供一種輸出效率高、可操作性強(qiáng)且能夠在實(shí)際中使用的生物相容性微型摩擦發(fā)電機(jī)，該微型摩擦發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)體內(nèi)體外微型摩擦發(fā)電機(jī)，加速體內(nèi)組織修復(fù)的目的。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案:
一種生物相容性微型摩擦發(fā)電機(jī)，由上極板尼龍66包覆層、上極板聚左旋乳酸高分子對(duì)摩擦層、下基板乙基纖維素對(duì)摩擦層和下極板尼龍66包覆層組成，上極板材料為易獲得電子的絕緣型聚左旋乳酸成型的板材，下極板為易失去電子的絕緣型乙基纖維素成型的板材，上、下極板的接觸界面制作有不同形狀的花紋圖案，上、下極板按照凹凸相對(duì)緊密接觸形成弧形空間，并采用生物相容性的尼龍66薄膜封裝。
[0007]所述上極板材料聚左旋乳酸的分子量為8-15萬(wàn)，上極板材的厚度為2_4mm、寬度為40-60mm、長(zhǎng)度為60-70mm，采用刮膜機(jī)制備，具體步驟包括:
I)將生物醫(yī)用聚左旋乳酸顆粒按照質(zhì)量比為1:5-7的比例置于有機(jī)溶劑二氯甲烷中，加熱在40-60°C下攪拌均勻，直至在能夠看到顏色均一的膠體； 2)在鋪膜機(jī)刮膜板上面放置錫箔紙且鋪平，鋪膜室抽真空，真空度為0.07-0.09MPa,然后將均一的聚左旋乳酸膠體倒入刮膜機(jī)中進(jìn)行刮膜，控制膜的厚度為2-4 mm，長(zhǎng)度、寬度均> 100mm，控制刮膜機(jī)溫度為40°C，保溫2h，取出板材，裁剪成寬度為40-60mm，長(zhǎng)度為60-70mm的板材待用。
[0008]所述下極板材料乙基纖維素的分子量為80-150萬(wàn)，下極板材厚度為2_4mm，采用刮膜機(jī)制備，具體步驟包括:
1)將生物醫(yī)用乙基纖維素顆粒按照質(zhì)量比為1:5-1:7的比例置于乙二醇與乙醇混合的有機(jī)溶劑中，混合有機(jī)溶劑中乙二醇與乙醇的體積比分別為4:1、5:1、2:1，在40-60 V下攪拌均勻，直至能夠看到顏色均一的膠體；
2)在鋪膜機(jī)刮膜板上面放置錫箔紙且鋪平，鋪膜室抽真空，真空度為0.07-0.09MPa,然后將均一的乙基纖維素膠體倒入刮膜機(jī)中進(jìn)行刮膜，控制膜的厚度為2-4mm，長(zhǎng)度、寬度均> 100mm，控制刮膜機(jī)溫度為40°C，保溫2h，取出板材，裁剪成寬度為40-60mm，長(zhǎng)度為60-70mm的板材待用。
[0009]所述上、下極板的接觸界面花紋圖案的凹凸個(gè)體形狀為三菱柱、圓柱、圓錐、金字塔或圓臺(tái)，其長(zhǎng)、寬、高三維尺寸分別為1-10 μ m、1-10 μ m、1-100 μ m ;花紋圖案的制備方法是將剪切好的高分子有機(jī)物板材采用熱壓法、磁控濺射或離子刻蝕制得。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
該基于摩擦效應(yīng)的生物相容性微型發(fā)電機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、操作簡(jiǎn)單，置入體內(nèi)后，經(jīng)肌體運(yùn)動(dòng)、外部按摩、震動(dòng)等擠壓摩擦，產(chǎn)生微電壓、電流，即形成微型發(fā)電機(jī)，可作為植入體內(nèi)的微型診斷、治療設(shè)備的電源，也可直接作用于損傷部位，通過(guò)肌體運(yùn)動(dòng)或者外部按摩、震動(dòng)等擠壓摩擦產(chǎn)生的微電壓而使細(xì)胞快速生長(zhǎng)，進(jìn)而使受損組織快速痊愈，可廣泛用于診斷、快速治療和器官再生等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。該微型發(fā)電機(jī)與受損組織相連，提供高電壓低電流，可以促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)，有加快組織愈合的功效。
[0011]【【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】】
圖1聚左旋乳酸和乙基纖維素為上下基板的生物摩擦電發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖中:1.上極板尼龍66包覆層、2.上極板聚左旋乳酸高分子對(duì)摩擦層、3.下基板乙基纖維素對(duì)摩擦層、4.下極板尼龍66包覆層。
[0013]【【具體實(shí)施方式】】
以下所說(shuō)明的具體實(shí)例旨在詳細(xì)解讀本發(fā)明的客觀用途和為了使讀者有直觀的理解。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍。
實(shí)施例1:
一種生物相容性微型摩擦發(fā)電機(jī)，如圖1所示，由上極板尼龍66包覆層1、上極板聚左旋乳酸高分子對(duì)摩擦層2、下基板乙基纖維素對(duì)摩擦層3和下極板尼龍66包覆層4組成，上極板材料為易獲得電子的絕緣型聚左旋乳酸成型的板材，下極板為易失去電子的絕緣型乙基纖維素成型的板材，上、下極板的接觸界面制作有不同形狀的花紋圖案，上、下極板按照凹凸相對(duì)緊密接觸形成弧形空間，并采用生物相容性的尼龍66薄膜封裝。
[0014]所述上極板材料聚左旋乳酸的分子量為15萬(wàn),上極板材的厚度為4mm、寬度為60mm、長(zhǎng)度為70mm，采用刮膜機(jī)制備，具體步驟包括: 將生物醫(yī)用聚左旋乳酸顆粒按照質(zhì)量比為1:5的比例置于有機(jī)溶劑二氯甲烷中，加熱在40°C下攪拌均勻，直至在能夠看到顏色均一的膠體；在鋪膜機(jī)刮膜板上面放置錫箔紙且鋪平，鋪膜室抽真空，真空度為0.07MPa，然后將均一的聚左旋乳酸膠體倒入刮膜機(jī)中進(jìn)行刮膜，控制膜的厚度為4 mm，長(zhǎng)度、寬度均為100mm，控制刮膜機(jī)溫度為40°C，保溫2h，取出板材，裁剪成寬度為60mm，長(zhǎng)度為70mm的板材待用。
[0015]所述下極板材料乙基纖維素的分子量為80萬(wàn)，下極板材厚度為4mm，采用刮膜機(jī)制備，具體步驟包括:
將生物醫(yī)用乙基纖維素顆粒按照質(zhì)量比為1:5的比例置于乙二醇與乙醇混合的有機(jī)溶劑中，混合有機(jī)溶劑中乙二醇與乙醇的體積比分別為5:1，在60°C下攪拌均勻，直至能夠看到顏色均一的膠體；在鋪膜機(jī)刮膜板上面放置錫箔紙且鋪平，鋪膜室抽真空，真空度為0.09MPa，然后將均一的乙基纖維素膠體倒入刮膜機(jī)中進(jìn)行刮膜，控制膜的厚度為4mm，長(zhǎng)度、寬度均為100mm，控制刮膜機(jī)溫度為40°C，保溫2h，取出板材，裁剪成寬度為460mm，長(zhǎng)度為70mm的板材待用；具體方法是:
所述上、下極板的接觸界面花紋圖案的凹凸個(gè)體形狀為圓柱，其直徑為4μπι，高度為10 μ m ;花紋圖案的制備方法是將剪切好的高分子有機(jī)物板材采用熱壓法制得，具體方法是:
剪采購(gòu)好的3000目的鋼絲網(wǎng)，保證覆蓋完全高分子板材，設(shè)置熱壓機(jī)溫度為80°C，壓力為8.0X 106N/M2，熱壓5min，熱壓后在光學(xué)顯微鏡下能夠看到規(guī)整的微圖案。
[0016]摩擦發(fā)電機(jī)的組裝:將上下基板采取彈性粘結(jié)，用聚酰亞胺膠布進(jìn)行封裝，中間留有彈性空間余量，兩極板采取接觸分離式摩擦方式，對(duì)摩擦材料要求具有相應(yīng)的彈性模量，韌性，剛性，可以自由回復(fù)，回復(fù)時(shí)間控制在3ms，才能獲得良好的實(shí)驗(yàn)效果。
[0017]摩擦發(fā)電機(jī)的檢測(cè):將示波器、電源前置放大器、電壓前置放大器與制作好的生物相容性良好的摩擦納米發(fā)電機(jī)相連，進(jìn)行輸出電流、電壓、電能以及功率的測(cè)量和計(jì)算。該微型摩擦發(fā)電機(jī)置入體內(nèi)后，經(jīng)肌體運(yùn)動(dòng)、外部按摩、震動(dòng)等擠壓摩擦，產(chǎn)生微電壓、電流。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，輸出的峰值電壓為150V，峰值電流為9 μ A。
【權(quán)利要求】
1.一種生物相容性微型摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于:由上極板尼龍66包覆層、上極板聚左旋乳酸高分子對(duì)摩擦層、下基板乙基纖維素對(duì)摩擦層和下極板尼龍66包覆層組成，上極板材料為易獲得電子的絕緣型聚左旋乳酸成型的板材，下極板為易失去電子的絕緣型乙基纖維素成型的板材，上、下極板的接觸界面制作有不同形狀的花紋圖案，上、下極板按照凹凸相對(duì)緊密接觸形成弧形空間，并采用生物相容性的尼龍66薄膜封裝。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述生物相容性微型摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于:所述上極板材料聚左旋乳酸的分子量為8-15萬(wàn)，上極板材的厚度為2-4mm、寬度為40_60mm、長(zhǎng)度為60_70mm，采用刮膜機(jī)制備，具體步驟包括: 1)將生物醫(yī)用聚左旋乳酸顆粒按照質(zhì)量比為1:5-7的比例置于有機(jī)溶劑二氯甲烷中，加熱在40-60°C下攪拌均勻，直至在能夠看到顏色均一的膠體； 2)在鋪膜機(jī)刮膜板上面放置錫箔紙且鋪平，鋪膜室抽真空，真空度為0.07-0.09MPa,然后將均一的聚左旋乳酸膠體倒入刮膜機(jī)中進(jìn)行刮膜，控制膜的厚度為2-4 mm，長(zhǎng)度、寬度均> 100mm，控制刮膜機(jī)溫度為40°C，保溫2h，取出板材，裁剪成寬度為40-60mm，長(zhǎng)度為60-70mm的板材待用。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述生物相容性微型摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于:所述下極板材料乙基纖維素的分子量為80-150萬(wàn)，下極板材厚度為2-4mm，采用刮膜機(jī)制備，具體步驟包括: 1)將生物醫(yī)用乙基纖維素顆粒按照質(zhì)量比為1:5-1:7的比例置于乙二醇與乙醇混合的有機(jī)溶劑中，混合有機(jī)溶劑中乙二醇與乙醇的體積比分別為4:1、5:1、2:1，在40-60 V下攪拌均勻，直至能夠看到顏色均一的膠體； 2)在鋪膜機(jī)刮膜板上面放置錫箔紙且鋪平，鋪膜室抽真空，真空度為0.07-0.09MPa,然后將均一的乙基纖維素膠體倒入刮膜機(jī)中進(jìn)行刮膜，控制膜的厚度為2-4mm，長(zhǎng)度、寬度均> 100mm，控制刮膜機(jī)溫度為40°C，保溫2h，取出板材，裁剪成寬度為40-60mm，長(zhǎng)度為60-70mm的板材待用。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述生物相容性微型摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于:所述上、下極板的接觸界面花紋圖案的凹凸個(gè)體形狀為三菱柱、圓柱、圓錐、金字塔或圓臺(tái)，其長(zhǎng)、寬、高三維尺寸分別為1-ΙΟμπκΙ-ΙΟμπκΙ-ΙΟΟμπι;花紋圖案的制備方法是將剪切好的高分子有機(jī)物板材采用熱壓法、磁控濺射或離子刻蝕制得。
【文檔編號(hào)】H02N1/04GK104485835SQ201410728985
【公開(kāi)日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月5日
【發(fā)明者】劉國(guó)旭, 陳民芳, 王中林, 李偉 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)