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基于植入式纳米发电机的自驱动心脏实时监控系统研制成功

2018-12-11 00:05:44

发布日期:2016-09-08

植入式医疗器件如心脏起搏器,在当今临床医学领域中占据了重要的地位,它极大地改善了患者的症状和生活质量,具有显著的社会价值和经济价值。作为新兴的医疗器械发展方向,植入式医疗器件仍然面临许多问题亟待突破,首先就是长效能源供给问题。现阶段植入式器件主要依靠电池供电,工作寿命有限,一旦电池耗尽,病人不得不再次面对巨大的手术风险和经济负担。因此,开发长效的在体能源供给系统对于植入式医疗器件的发展意义重大。

2014年植入式摩擦纳米发电机(iTENG)被首次应用于生物体内,并成功将运动产生的机械能转化为电能用于驱动下游器件,为发展可以替代或补偿电池的植入式长效能源提供了新的思路和契机。但作为植入式长效能源,iTENG的体内输出性能和工作稳定性仍需要进一步改善。

近期,中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士和李舟研究员领导的研究小组与上海长海医院合作,在植入式长效能源系统和自驱动心脏功能无线监控方面取得了进展,相关研究成果发表在最新一期的ACS NANO(DOI :10.1021/acsnano.6b02693)。

    上图 植入式纳米发电机的构建及自驱动心率监控系统工作示意图;下图 心率信号的实时采集和分析。

助理研究员郑强、博士生石波璟共同研制了新型的可植入式的摩擦纳米发电机,在上海长海医院张浩副主任医师的协助下,该器件被植入小型猪的心包间隙,成功的将心跳产生的机械能转化为电能。其体内输出电压达到12伏,输出电流达到5微安,分别较之前的工作提高3.5倍和25倍。另外,该工作首次探索了植入式的摩擦纳米发电机的体内长效稳定性。在植入长达72小时后,该器件仍然保持了输出特性,是目前纳米发电机最长的体内连续工作记录,显示了其良好的工作稳定性。更高的体内输出和更稳定的体内表现对于最终实现iTENG作为电源驱动植入式医疗器件具有显著的推动作用。

研究组成员还建立了iTENG输出能量与心率的关联性,并基于此设计制造了植入式自驱动心脏监控装置,可通过无线发射装置实现了自驱动的心率远程实时监控。该结果对于发展基于摩擦纳米发电机的主动传感+系统具有重大意义。

该研究工作得到了国家自然科学基金委、北京市高创计划的大力支持。

 
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.6b02693

来源: X-MOL

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