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传统的植入式心脏电子医疗器材电池寿数有限,难认为患者供给长时刻、不间断的监测和医治,自驱动技能的呈现处理了这一难题。
本文介绍了自驱动技能的类型和原理,从供能、传感和电影响3个方面回忆了自驱动技能在植入式心脏电子医疗器材中的运用,从自驱动植入式心脏电子医疗器材动力的搜集和存储办理、植入物的长时刻生物相容性、电影响的生物学效应3个方面展望了自驱动技能与植入式心脏电子医疗器材未来的开展方向。
现有的心脏电子设备首要有植入式心脏起搏器、植入式心脏除颤器、植入式心脏监护仪等,虽然这些设备能够对心脏病患者进行安稳继续的监测并及时的确诊和医治,确保患者的正常日子和作业。可是电池有限的寿数是一个不行逃避的问题,这极大地约束了心脏电子设备的开展。
现在临床医治所运用的心脏起搏器电池寿数大概在7~8年,患者往往需求二次手术来替换电池或起搏器,这导致患者呈现依从性差和易感染等问题。因而,需求有可继续的动力供给,以确保植入式心脏电子医疗器材能够为患者供给长时刻、不间断的监测和医治。自驱动技能的呈现处理了这一问题,这类技能能够将机械能、太阳能、热能及生化能量转化为电能,来为设备供电。
关于植入式电子医疗器材的自驱动技能,现在现已探求出两种完成途径,一种是经过换能器材将环境中的能量(肌肉缩短、血流、穿过安排的红外光和声波等)转化成电能为设备供电,另一种是经过换能器材将生物体中的物理能/化学能转化成电能。
现有的自驱动技能包含压电纳米发电机(PENG)、冲突纳米发电机(TENG)、太阳能搜集器、热释电纳米发电机、生物燃料电池。
PENG是运用压电效应在纳米标准下搜集细小机械能并将其转化为电能的一种纳米发电机。压电效应是资料在应力效果下发生内部电势的一种现象。PENG一般由外部负载、可发生压电势的压电资料和柔性基板组成。
常见的压电资料有氧化锌(ZnO)、锡酸锌(Zn‐SnO3)、钛酸钡(BaTiO3)、锆钛酸铅(PZT)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯共聚物P(VDF-TrFE)等。PENG具有功耗低、规划简略、柔韧性和机械安稳性好等长处,但其输出相对较低。
PENG的输出巨细首要取决于压电资料的压电系数和应变量。研讨者一般会经过资料复合添加界面诱导效应,然后增强压电功用,如在PVDF基体中掺杂高介电常数、高压电常数的陶瓷填料、碳基资料或金属纳米颗粒来进步β相的含量,然后增强PVDF的压电功用。
改进结构规划也能够增强压电功用,比方多层聚合物纳米复合资料能够经过介电/电极和介电/介电界面组成来按捺电荷注入和搬迁,进步击穿强度,然后增强能量密度。
TENG是依据冲突电效应和静电感应所规划的纳米发电机。TENG有4种不同的作业方法:笔直触摸-别离方法、水平滑动方法、单电极方法和独立层方法。
笔直触摸-别离方法的长处在于结构规划和制造简略、瞬时输出功率高、易完成多层集成等,常用在距离物结构、拱形结构、绷簧支撑结构的能量搜集器中。
水平滑动方法的TENG的输出较低,可是因为其间1个冲突面不需求衔接导线,所以它的运用也十分广泛。不只能够搜集和风、雨滴等机械能,还能够运用于触觉、速度、视点、压力及人体健康监测等传感器。
独立层方法的TENG中介电层的移动不必定需求直接和电极进行触摸,这样就能够下降资料外表的磨损,添加TENG的耐久性。因而,这种方法能够广泛运用于转轮式、栅极整列式、滑动式等不同结构的能衡量搜集器及蓝色海洋能量搜集。
热释电纳米发电机是运用具有热释电效应的纳米资料把温度改变转化为电能的一种能量搜集器。常用的热释电资料有ZnO、PZT、BTO、PVDF及其复合资料等。
热释电纳米发电机具有耐用性高、环境适用性强、灵敏等长处,其输出巨细受资料的热释电系数和温度改变的影响,一般用于火灾预警、热传感、热成像、污染监测等范畴。
生物燃料电池是从生物体、生物环境中获取生化能量发生电能的一种能量搜集器。依据催化剂类型的不同,可将生物燃料电池分为微生物燃料电池、酶燃料电池、光催化燃料电池等。
微生物燃料电池和光催化燃料电池被广泛用于污水处理和发电,酶燃料电池常用作生物传感。
太阳能电池是运用半导体的光伏效应,将光能转化为电能的能量搜集器。跟着光伏技能的开展,研讨者逐步开发出了单晶硅、多晶硅、钙钛矿、无铅钙钛矿等类型的太阳能电池。
因为太阳能电池具有永久性、灵敏性以及清洁性,被广泛用于通讯、交通、气候等范畴的供电。
自驱动技能能够从身体及周围环境中搜集能量为电子器材供能,在植入式心脏电子医疗器材的规划和运用中具有巨大的潜力。
TENG、PENG具有形状可调理、参数可控、体积小、生物相容性好、输出高、灵敏度高、成本低、简略易取得等特色。接下来将首要介绍依据TENG、PENG的自驱动技能在植入式心脏电子医疗器材中的运用。
自中国科学院外籍院士王中林提出纳米发电机以来,研讨人员为了处理植入式心脏电子设备的动力供给问题,依据不同植入部位和设备供能要求,开发了各种结构、方法及资料的纳米发电机,将人体运动和保持生命活动所发生的细小机械能转化为设备所需的电能。
为了简略且有用进步压电纳米发电机的能量搜集功率,其资料的运用准则不只仅局限于单一无机或有机压电资料,不少研讨者开端从无机和有机压电资料的复合下手,处理单一无机压电资料输出较低的问题。
笔直触摸-别离方法冲突纳米发电机能够很好地搜集生物运动发生的细小机械能,如心脏跳动、呼吸过程中膈肌的运动等,这为植入式电子器材的动力供给供给了一种新的战略。
纳米发电机不只能够为植入式医疗器材供电,还能够搜集弱小的机械形变经过电信号的方法完成传感监测,且不需求外部动力的供给,能够彻底完成自驱动。纳米发电机在作为生物医学传感器的研讨中表现出了较高的灵敏度、快速的呼应时刻和优异的安稳性等优异的特色。
心率和心律分别是能够简略点评心脏跳动速度和节律的极为重要的生命体征目标。纳米发电机能够将心脏跳动转化为电脉冲,电脉冲的频率能够体现出心脏跳动的速度,电脉冲的距离能够提示心脏的节律。
植入心脏或心包的纳米发电机不只可用于监测心率,还能够用来监测血压。心内压的升高会添加心脏负荷,引发心衰、脑卒中等,常用侵入性心导管监测心内压,但在长时刻、连续性的监测中心导管具有局限性。
因而,Liu等运用冲突纳米发电机高灵敏度、小型化、柔性、自供电的特色,规划了一款心内膜压力传感器,能够将心腔内的血液活动的能量转化为电能,以实时监测心内膜压力的改变、心室颤动和室性早搏。
窦房结作为“心脏起搏点”,其激动时刻或激动方位反常均会引起心律失常。心律失常会影响心脏泵血功用,从而导致各器官的供血缺乏,因而在监测心率的一起需求及时的干涉,保持心脏的自主性节律。
跟着资料的开展及纳米发电机结构的优化,纳米发电机的输出功用也逐步上升,不只能够为商用心脏起搏器供能,还能够开释电脉冲直接对心脏的细胞和分配心脏的神经进行电影响。
近些年来,植入式心脏电子设备的供能瓶颈问题也因自驱动技能的开展得以处理。依据纳米发电机的自驱动技能在心脏电子设备中的运用首要体现在供能、传感和电影响3个方面。
依据纳米发电机的心脏电子设备虽然在大动物体进步行了许多的研讨,但未来仍有以下3个关键问题需求探求:
1)动力的搜集和贮存办理。纳米发电机是将低频的机械能转化为电能,因为人体的机械运动(如心跳和呼吸)频率较低,所以纳米发电机的能量搜集功率相较于无线传输等方法仍处于低水平。并且纳米发电机的阻抗与储能电容的阻抗不一致,因而在充电过程中,能量存储功率不高。
怎么运用结构规划、资料优化、工程技能进步植入式纳米发电机的能量搜集和存储的功率是下一步需求研讨的方向之一。
2)植入物的长时刻生物相容性。在人体外表和安排内部存在许多感知内部或外部改变的感受器,较大的植入物会引起机体的排异反响。为了进步生物相容性,不少研讨者现已进行了多年研讨,经过运用生物相容性好的资料、器材小型化等方法下降机体的排异反响。
未来运用到人体时还需更多重视植入式电子器材的安全性、器材体液环境下运转的安稳性。
3)电影响的生物学效应。现在许多植入式心脏电子设备首要会集在传感和为商用设备的供能两大方向,这使得纳米发电机对心脏功用的康复仍是直接的。虽然已有研讨人员探求了纳米发电机对心肌和分配心脏的迷走神经进行直接电影响来必定程度上改进心脏的功用,但仍有一些影响参数、生物学机制和其他的生物学效应未进行探求。
未来能够考虑运用纳米发电机所发生的一起电流(高电压,低电流)对心肌和分配心脏的神经施行精准和个性化的电影响和电调控。
依据自驱动技能的植入式心脏电子设备具有很高的临床运用价值,面临上述应战,未来需求结合生物学、临床医学、资料学、电子学和机械工程等学科的前沿技能手段,规划和开发更适用于临床治疗的自驱动植入式心脏电子设备。
本文作者:吴礼,罗瑞增,薛子傲,吴钰祥,李舟作者简介:吴礼,江汉大学体育学院、中国科学院北京纳米动力与体系研讨所,硕士研讨生,研讨方向为血流约束练习、经颅直流电影响的生物学效应;吴钰祥(通讯作者),江汉大学体育学院、中国科学院北京纳米动力与体系研讨所,教授,研讨方向为自动健康与可穿戴器材、运动练习的无损监测;李舟(一起通讯作者),中国科学院北京纳米动力与体系研讨所、中国科学院大学纳米科学与技能学院,研讨员,研讨方向为生物电子器材、植入/穿戴的电子医疗器材、生物传感器、可降解器材、细胞生物力学。
论文全文宣布于《科技导报》2022年第12期,原标题为《自驱动技能与植入式心脏电子医疗器材》,本文有删减,欢迎订阅检查。
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