Adv. Mater.：基于摩擦纳米发电机的自供电可植入药物输送系统

【引言】

微型植入设备具用于十分广泛的应用，比如诊断检测，刺激组织/器官，监测身体功能，成像和输送药物等等。例如，由于高效率的药物输送以及输送时间和速度的良好控制，植入式药物输送系统（iDDS）使局部治疗成为可能。它可用于治疗眼部疾病，糖尿病和癌症等等。

到目前为止，大多数这些设备需要外部电源如锂离子电池来进行激活。如果可能的话，iDDS和电池越小越好。然而，小尺寸电池只能储存有限的能量，从而限制了设备的使用寿命，这就需要进行频繁的不必要的更换设备手术来维持治疗。为了克服iDDS连续供电这一挑战，关键要找到一种可持续供电的解决方案。

【成果简介】

研究人员已经发明了摩擦纳米发电机（TENG），提供了一种从环境中收集机械能然后转换成电能的有效方法。它的结构十分简单，因此可以极大的小型化，并且可以采用软材料制作。在同一时间，TENG可以产生达几毫瓦的输出（mW）。因此，TENG可以植入人体，通过身体/器官的运动收集能源，从而成为植入式生物医学设备的理想电源。

最近，中科院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士，朱光研究员以及新加坡南阳理工大学的Ken-Tye Yong副教授（共同通讯作者）等人首次提出了可以应用于药物输送的基于TENG的自供电植入式药物输送系统（iDDS）。该装置包括一个由TENG供电的电化学微流体泵。他们研究了该自供电装置的工作性能，并且在体外对猪的眼睛进行了经巩膜药物输送实验。其中，iDDS的电能就来源于通过TENG收集的能量。

【图文导读】

图1 TENG和iDDS的结构设计和照片

（a）（b）（c）分别为基于TENG的iDDS的示意图；TENG中零件的示意图；iDDS的示意图

（d）（e）分别为包有玻璃环氧树脂的TENG照片以及iDDS的照片，标尺为10mm

（f）iDDS的侧面照片，厚度为2mm

（g）iDDS放在手上的照片

图2 基于TENG的自供电iDDS的工作原理

（a）TENG工作原理示意图

（b）电化学压力泵工作原理示意图

（c）金电极的放大照片

（d）用电化学压力泵产生气泡的金电极的放大照片

（e）水电解原理

图3 基于TENG的自供电iDDS的表征

（a）（b）分别为500转速下TENG的断路电压和短路电流

（c）（d）分别为应用了变压器和整流器的TENG的电压和电流

（e）（f）分别为手旋转模式下TENG的电压和电流（图中的电压和电流不是同时测量）

图4 基于TENG的自供电iDDS的泵性能

（a）（b）为常规电极和电极设计示意图。黑箭头表示电极间的间隙

（c）药物泵送前的照片

（d）加压泵贮过程中的照片

（e）（f）将水泵入PDMS微管显微镜图。标尺为300µm

（g）泵水流速与TENG旋转速度的函数

图5 基于TENG的自供电iDDS的体外药物输送研究

（a）在前房内植入药物输送装置示意图

（b）植入手术后的实验照片

（c）植入PDMS微管后的前房的放大照片。白色的箭头指示微管插入点

（e）荧光微粒传送前后前房的荧光显微镜图像。标尺为200µm

【小结】

总之，TENG已被用于开发一种体积小、无需电池的植入式治疗设备。研究人员首次提出来基于TENG的自供电植入式药物输送系统，并且证明了其给眼部输送药物的功能。通过调节TENG的转速，已经可以实现在5.3到40µl min⁻¹之间调节泵的流量。并且，iDDS可以采用手动旋转TENG装置来充电。他们证明了基于TENG的iDDS可以在体外对猪的眼睛进行了经巩膜药物输送。这项工作有利于促进在治疗慢性疾病方面开发新的治疗方法。

文献链接：A Self-Powered Implantable Drug-Delivery System Using Biokinetic Energy（Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201605668）

本文由材料人电子电工学术组风之翼供稿，材料牛整理编辑。

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部。如果你对电子材料感兴趣，愿意与电子电工领域人才交流，请加入材料人电子电工材料学习小组（QQ群：482842474）

材料测试，数据分析，上测试谷！