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摩擦電電場驅動藥物離子導入的系統.pdf

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摩擦 電場 驅動 藥物 離子 導入 系統
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摘要
申請專利號:

CN201210163591.5

申請日:

20120524

公開號:

CN103418081B

公開日:

20141022

當前法律狀態:

有效性:

有效

法律詳情:
IPC分類號: A61N1/30 主分類號: A61N1/30
申請人: 納米新能源(唐山)有限責任公司
發明人: 王中林,徐傳毅,范鳳茹
地址: 063000 河北省唐山市高新技術開發區建設北路101號高科總部大廈1001室
優先權: CN201210163591A
專利代理機構: 北京市浩天知識產權代理事務所 代理人: 雒純丹
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201210163591.5

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法律狀態公告日:

法律狀態類型:

摘要

本發明提供了一種摩擦電電場驅動藥物離子導入的系統,包括摩擦發電機、整流器、藥物離子載體和電場電極;所述摩擦發電機與整流器連接;所述整流器包括兩個直流電輸出端,其中一個直流電輸出端與電場電極連接,另一個直流電輸出端用于與藥物受體連接,以在電場電極與藥物受體之間形成直流電場;所述藥物離子載體設置于直流電場中;所述摩擦發電機為薄膜型,且隔著絕緣隔離層與電場電極平行設置。本發明提供的摩擦電電場驅動藥物離子導入的系統,利用摩擦發電在電場電極與藥物受體之間形成了一個穩定的脈沖型直流電場,能夠有效、安全的促進人體皮膚藥物離子導入。

權利要求書

1.一種摩擦電電場驅動藥物離子導入的系統,其特征在于,包括摩擦發電機、整流器、藥物離子載體和電場電極,所述摩擦發電機與整流器連接,所述整流器包括兩個直流電輸出端,其中一個直流電輸出端與電場電極連接,另一個直流電輸出端用于與藥物受體連接,以在電場電極與藥物受體之間形成直流電場;所述藥物離子載體設置于直流電場中;所述摩擦發電機為薄膜型,且隔著絕緣隔離層與電場電極平行設置;所述摩擦發電機包括依次層疊的第一電極,第一高分子聚合物絕緣層,第二高分子聚合物絕緣層和第二電極,所述第一電極和第二電極為摩擦發電機電壓和電流輸出電極;其中,至少一個高分子聚合物絕緣層的未設置電極的表面上具有微納凹凸結構。2.根據權利要求1所述的摩擦電電場驅動藥物離子導入的系統,其特征在于,所述第一高分子聚合物絕緣層的未設置第一電極的表面上具有微納凹凸結構;所述第二高分子聚合物絕緣層的未設置第二電極的表面上具有微納凹凸結構;所述第一高分子聚合物絕緣層的具有微納凹凸結構的表面與第二高分子聚合物絕緣層的具有微納凹凸結構的表面相對接觸疊放。3.根據權利要求1或2所述的摩擦電電場驅動藥物離子導入的系統,其特征在于,所述第一高分子聚合物絕緣層與所述第二高分子聚合物絕緣層材質不同,且分別獨立的選自聚酰亞胺薄膜、苯胺甲醛樹脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纖維素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纖維素薄膜、纖維素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纖維海綿薄膜、聚氨酯彈性體薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纖維薄膜、甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚異丁烯薄膜、聚氨酯柔性海綿薄膜、聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇縮丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡膠薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡膠薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜中的任意一種。4.根據權利要求2所述的摩擦電電場驅動藥物離子導入的系統,其特征在于,所述第一高分子聚合物絕緣層與第二高分子聚合物絕緣層表面的微納凹凸結構為納米級至微米級的凹凸結構。5.根據權利要求4所述的摩擦電電場驅動藥物離子導入的系統,其特征在于,所述第一高分子聚合物絕緣層與第二高分子聚合物絕緣層表面的微納凹凸結構為50-300nm的凹凸結構。6.根據權利要求1所述的摩擦電電場驅動藥物離子導入的系統,其特征在于,所述第一電極和第二電極分別獨立的選自銦錫氧化物、石墨烯電極、銀納米線膜,以及金、銀、鉑、鋁、鎳、銅、鈦或它們的合金中的任意一種。7.根據權利要求1所述的摩擦電電場驅動藥物離子導入的系統,其中,所述摩擦發電機,包括依次層疊的第一電極,第一高分子聚合物絕緣層,居間薄膜,第二高分子聚合物絕緣層和第二電極,所述居間薄膜為高分子聚合物絕緣層,其面向第一高分子聚合物絕緣層或第二高分子聚合物絕緣層的表面上設有微納凹凸結構;所述第一電極和第二電極為摩擦發電機電壓和電流輸出電極。8.根據權利要求7所述的摩擦電電場驅動藥物離子導入的系統,其特征在于,所述第一高分子聚合物絕緣層與所述居間薄膜材質不同。9.根據權利要求7或8所述的摩擦電電場驅動藥物離子導入的系統,其特征在于,所述第一高分子聚合物絕緣層、第二高分子聚合物絕緣層與居間薄膜為透明材料,分別獨立的選自如下透明高聚物中的任意一種:聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯和液晶高分子聚合物。10.根據權利要求9所述的摩擦電電場驅動藥物離子導入的系統,其特征在于,所述第一電極和第二電極獨立的選自銦錫氧化物、石墨烯電極和銀納米線膜中的任意一種。11.根據權利要求7所述的摩擦電電場驅動藥物離子導入的系統,其特征在于,所述居間薄膜表面的微納凹凸結構為納米級至微米級的凹凸結構。12.根據權利要求11所述的摩擦電電場驅動藥物離子導入的系統,其特征在于,所述居間薄膜表面的微納凹凸結構為50-300nm的凹凸結構。13.根據權利要求7或8所述的摩擦電電場驅動藥物離子導入的系統,其特征在于,所述第一高分子聚合物絕緣層、第二高分子聚合物絕緣層和居間薄膜分別獨立的選自聚酰亞胺薄膜、苯胺甲醛樹脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纖維素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纖維素薄膜、纖維素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纖維海綿薄膜、聚氨酯彈性體薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纖維薄膜、甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚異丁烯薄膜、聚氨酯柔性海綿薄膜、聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇縮丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡膠薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡膠薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜中的任意一種。14.根據權利要求13所述的摩擦電電場驅動藥物離子導入的系統,其特征在于,所述第一電極和第二電極分別為金屬薄膜,所述金屬選自金、銀、鉑、鋁、鎳、銅、鈦或它們的合金中的任意一種。

說明書

技術領域

本發明涉及一種藥物離子導入裝置,尤其是涉及一種利用摩擦所產生的電場促進藥物離子導入到人體皮膚的系統。?

背景技術

隨著現代生活水平不斷提高,生活節奏不斷加快,便攜式的個人健康護理裝置可以滿足人們對個人健康的追求,將成為人們未來生活中不可或缺的一部分。具有微米甚至納米尺度特殊功能和效應的傳感器、醫用護理裝置等多功能智能裝置將為人類提供前所未有的健康生活保障,而簡單、高效、便攜式的功能特性將有助于這些裝置的商業普及和日常應用。電刺激藥物導入方法在美容保健和部分疾病的治療方面已廣泛應用。直流電場離子導入療法是利用正負電極在人體外形成一個直流電場,在直流電場中加入帶陰陽離子的藥物。根據直流電場內同性電荷相斥,異性電荷相吸的原理,將藥物離子導入體內。將所需導入的藥物離子放在極性與該離子極性相同的電極下,即將帶正電荷的藥物離子放在陽極下,帶負電荷的離子放在陰極下,藥物離子在直流電場的作用下,可通過完整皮膚黏膜和傷口進入人體內,從而達到美容保健以及治療疾病等目的。?

直流電場藥物離子導入的方法有以下特點,導入的藥物只有需要發揮藥理作用的那一部分,不是混合劑。而采用皮下或皮內注射方法就要注入大量沒有治療價值的溶液和基質。藥物離子導入還可以將藥物直接導入需要治療的部位,特別是對表層的病灶,對于較深層的組織也可以用體內導入法。直流電導入的藥物在體內停留時間比其他給藥方法停留時間長,藥物導入法所形成的藥物儲存庫,能逐漸消散而進入血液和淋巴液,這樣產生時間的全身性作用。直流電藥物導入時,直流電和藥物離子作用于內、外感受器,然后通過反射途徑而產生局部和全身的治療作用。該方法還能避免藥物內服或注?射等方法的副作用如胃腸刺激癥狀,注射后吸收不良等?

然而,傳統的電場藥物離子導入方法都需要價格高昂的專用儀器和設備,需要專業的醫用技術人員進行操作。這些都有可能導致其在安全、便攜性、適用性和維護方面等方面存在問題,限制了其在日常生活方面的應用。如何尋找一種簡單實用、安全高效,而且不需要外加電源的藥物導入方法將對該領域的發展產生極其重要的影響。?

發明內容

本發明為解決現有技術中存在的問題而提供了一種簡單實用、安全高效的藥物離子導入系統。?

本發明提供了一種摩擦電電場驅動藥物離子導入的系統,包括摩擦發電機、整流器、藥物離子載體和電場電極,所述摩擦發電機與整流器連接,所述整流器包括兩個直流電輸出端,其中一個直流電輸出端與電場電極連接,,另一個直流電輸出端用于與藥物受體連接,以在電場電極與藥物受體之間形成直流電場;所述藥物離子載體設置于直流電場中;所述摩擦發電機為薄膜型,且隔著絕緣隔離層與電場電極平行設置。?

所述藥物受體是導電性的,例如人體皮膚、動物體皮膚等。?

優選的,所述絕緣隔離層涂覆于所述摩擦發電機的第一電極或第二電極外,并在絕緣隔離層上涂覆或鍍電場電極,藥物離子載體覆于電場電極上,摩擦發電機、絕緣隔離層、電場電極與藥物離子載體形成一體。?

本發明提供的摩擦電電場驅動藥物離子導入的系統,其中,所述摩擦發電機的一種方案是,依次層疊的第一電極,第一高分子聚合物絕緣層,第二高分子聚合物絕緣層和第二電極,所述第一電極和第二電極為摩擦發電機電壓和電流輸出電極;其中,至少一個高分子聚合物絕緣層的未設置電極的表面上具有微納凹凸結構。?

優選的,所述第一高分子聚合物絕緣層的未設置第一電極的表面上具有微納凹凸結構;所述第二高分子聚合物絕緣層的未設置第二電極的表面上具有微納凹凸結構;所述第一高分子聚合物絕緣層的具有微納凹凸結構的表面與第二高分子聚合物絕緣層的具有微納凹凸結構的表面相對接觸疊放。?

優選的,所述摩擦發電機所述第一高分子聚合物絕緣層與所述第二高分子聚合物絕緣層材質不同。第一高分子聚合物絕緣層與第二高分子聚合物絕緣層材質如果相同,會導致摩擦起電的電荷量很小。所述第一高分子聚合物絕緣層與第二高分子聚合物絕緣層分別獨立的選自聚酰亞胺薄膜、苯胺甲醛樹脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纖維素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纖維素薄膜、纖維素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纖維海綿薄膜、聚氨酯彈性體薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纖維薄膜、甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚異丁烯薄膜、聚氨酯柔性海綿薄膜、聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇縮丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡膠薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡膠薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜中的任意一種。?

優選的,所述第一電極、第一高分子聚合物絕緣層、第二高分子聚合物絕緣層和第二電極為柔性平板結構,它們任意彎曲或變形造成所述第一高分子聚合物絕緣層和第二高分子聚合物絕緣層摩擦起電。柔性平板結構可以使摩擦發電機按照人體皮膚的形狀配合接觸,使摩擦電電場均衡。?

所述第一高分子聚合物絕緣層與第二高分子聚合物絕緣層表面的微納凹凸結構為納米級至微米級的凹凸結構;微納凹凸優選為納米級的凹凸,大小為50nm-300nm,納米凹凸摩擦接觸面積大,可以提高摩擦起電效率。所述第一高分子聚合物絕緣層與第二高分子聚合物絕緣層的外側邊緣可以通過膠帶等方式連接。?

所述第一高分子聚合物絕緣層與第二高分子聚合物絕緣層上的金屬薄膜(第一電極和第二電極)通過真空濺射法或蒸鍍法鍍于絕緣層表面。所述金屬薄膜可以是任何一種導電的材料,如透明導電薄膜、導電高分子、不銹鋼等;優選為分別獨立的選自銦錫氧化物、石墨烯電極、銀納米線膜,以及金、銀、鉑、鋁、鎳、銅、鈦、鉻、錫或它們的合金中的任意一種,第一電極和第二電極的厚度優選為50nm-200nm。?

本發明提供的摩擦電電場驅動藥物離子導入的系統,其中,所述摩擦發電機的另外一種方案是,所述摩擦發電機包括依次層疊的第一電極,第一高?分子聚合物絕緣層,居間薄膜,第二高分子聚合物絕緣層和第二電極。所述居間薄膜為高分子聚合物絕緣層,其面向第一高分子聚合物絕緣層或第二高分子聚合物絕緣層的表面上設有微納凹凸結構,但是居間薄膜其兩個表面不會同時設有微納凹凸結構;所述第一電極和第二電極為摩擦發電機電壓和電流輸出電極。?

進一步,所述第一高分子聚合物絕緣層、第二高分子聚合物絕緣層、居間薄膜(第三高分子聚合物絕緣層)材質可以相同,也可以不同。如果三層高分子聚合物絕緣層的材質都相同,會導致摩擦起電的電荷量很小。第一高分子聚合物絕緣層與第二高分子聚合物絕緣層優選相同,能減少材料種類,使本發明的制作更加方便。?

更進一步優選的情況下,所述第一高分子聚合物絕緣層與第二高分子聚合物絕緣層、居間薄膜為透明材料。所述第一高分子聚合物絕緣層、第二高分子聚合物絕緣層、居間薄膜分別獨立的選自如下透明高聚物中的任意一種:聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)和液晶高分子聚合物(LCP)。所述第一電極和第二電極分別獨立的選在銦錫氧化物(ITO)、石墨烯電極和銀納米線膜中的任意一種。采用上述優選材料后,這時整個摩擦發電機是一個全透明柔性裝置。?

所述第一電極,第一高分子聚合物絕緣層,居間薄膜,第二高分子聚合物絕緣層和第二電極為柔性平板結構,用于通過其任意彎曲、變形造成所述第一高分子聚合物絕緣層與居間薄膜摩擦起電。柔性平板結構可以使摩擦發電機按照人體皮膚的形狀配合接觸,使摩擦電電場均衡。?

所述居間薄膜表面的微納凹凸結構為納米級至微米級的凹凸結構。所述居間薄膜表面的微納凹凸結構為規則的凹凸結構,凹凸結構為條紋狀、立方體型、四棱錐型或圓柱形中一種。所述微納凹凸結構為納米級至微米機的凹凸結構;微納凹凸優選為納米級的凹凸,大小為50nm-300nm,納米凹凸可以使摩擦接觸面積增大,從而提高摩擦起電效率。?

當摩擦發電機不需要特別制作成全透明時,并保證所述第一高分子聚合物絕緣層與所述居間薄膜材質不同前提下,所述第一高分子聚合物絕緣層、第二高分子聚合物絕緣層、居間薄膜分別獨立的選自聚酰亞胺薄膜、苯胺甲醛樹脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纖維素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纖維素薄膜、纖維素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纖維海綿薄膜、聚氨酯彈性體薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纖維薄膜、甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚異丁烯薄膜、聚氨酯柔性海綿薄膜、聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇縮丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡膠薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡膠薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜中的任意一種。

當然,無需將摩擦發電機制成全透明時,所述第一電極和第二電極可以為金屬薄膜,所述金屬薄膜可以是任何一種導電的材料,如導電高分子、不銹鋼等;優選為金、銀、鉑、鋁、鎳、銅、鈦、鉻、錫及它們的合金中的一種,厚度優選為50nm-200nm。所述第一電極和第二電極可以通過真空濺射法或蒸鍍法鍍于第一高分子聚合物絕緣層或第二高分子聚合物絕緣層表面。?

所述第一電極,第一高分子聚合物絕緣層,居間薄膜,第二高分子聚合物絕緣層和第二電極的外側邊緣通過膠帶等方式連接?

第二種方案的摩擦電發電機依靠摩擦電電勢的充電泵效應,這是一種簡單、低成本和可大規模生產的方法。以雙層高分子聚合物絕緣層結構為基礎,采用居間薄膜改進摩擦面微觀結構,提高了摩擦效率,使電輸出達到峰值電壓23V,電流1.2μA,增強了摩擦電電場場強。另外,摩擦電發電機以柔性聚合物片為基礎,易加工,使用壽命長,并且容易與其它加工工藝集成。?

因此,在本發明提供的摩擦電促進藥物離子導入的系統中,薄膜型的摩擦發電機在超聲振動或者摩擦外力的作用下可在第一電極和第二電極上產生一個交變電場,該交變電場經過整流器作用后可轉變成為一個脈沖型直流電場。整流器的兩個直流電輸出端,一端連接電場電極,另外一端與人體皮膚相連,電場電極與人體皮膚之間放置藥物離子載體。由于人體皮膚是良性導體,因此,在電場電極與人體皮膚間就形成一個單項直流電場,載體中的藥物離子在電場的驅動下可定向導入到人體皮膚中,這是摩擦電促進藥物離子導入和吸收的基本原理。?

本發明提供的摩擦電促進藥物離子導入的系統,可根據不同離子的特性,有選擇性的改變電場電極與人體皮膚之間的電場方向。當該系統用于人體關節和肌肉等運動部位時,可不使用超聲振動或者摩擦外力,此時人體的運動可促使摩擦發電機將搜集來的機械能轉化為電能,同樣可以促進藥物離子的導入。該系統可集成和反復使用,只需更換不同藥物離子載體,即可適用于不同藥物離子的吸收。本發明解決了傳統貼片型藥物治療周期長、吸收效率低以及現有的藥物導入方法中電子醫療設備體積大、造價高、不易攜帶等問題,是一種安全、方便而有效的新方法。?

附圖說明

圖1為本發明摩擦電促進藥物離子導入的系統的結構示意圖。?

圖2為本發明摩擦電促進藥物離子導入的系統一種具體實施例中摩擦發電機的示意圖。?

圖3為本發明摩擦電促進藥物離子導入的系統一種具體實施例中摩擦發電機的發電原理示意圖。?

圖4為本發明摩擦電促進藥物離子導入的系統另一種具體實施例中摩擦發電機的結構示意圖。?

圖5為本發明摩擦電促進藥物離子導入的系統另一種具體實施例中摩擦發電機的制備過程示意圖。?

圖6為本發明摩擦電促進藥物離子導入的系統另一種具體實施例中摩擦發電機的三種居間薄膜微觀結構示意圖。?

圖7為本發明實施例1系統的整流器整流后,電場電極6與人體皮膚4間直流電場5的電壓和電流圖。?

圖8為本發明實施例2系統的整流器整流后,電場電極6與人體皮膚4間直流電場5的電壓和電流圖。?

圖中:1、超聲振動或摩擦外力,2、整流器,3、藥物離子載體,4、人體皮膚,5、直流靜電場,6、電場電極,7、絕緣隔離層,8、摩擦發電機;20、第一電極,21、第二電極,22、第一高分子聚合物絕緣層,24、第二高分子聚合物絕緣層,25、微納凹凸結構;40、第一電極,41、第二電極,42、?第一高分子聚合物絕緣層,44、居間薄膜,45、第二高分子聚合物絕緣層。?

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施方式做進一步說明。?

實施例1?

圖1是一種摩擦電電場驅動藥物離子導入的系統的具體實施方式,如圖所示,該系統包括摩擦發電機8、整流器2、藥物離子載體3和電場電極6,摩擦發電機8與整流器2連接以將摩擦發電機8產生的交流電轉換成直流電。整流器2包括兩個直流電極(直流電輸出端),其中一個直流電極與電場電極6連接,另一個直流電極與人體皮膚4連接,在電場電極6與人體皮膚4之間形成直流靜電場5。?

該摩擦發電機8為多層薄膜型。該摩擦發電機8與該電場電極6在同一方向上平行放置,在摩擦發電機8與電場電極6之間設置絕緣隔離層7,即在摩擦發電機8的第一電極20或第二電極21外側與電場電極6之間設置絕緣隔離層7。所述藥物離子載體3設置在電場電極6與人體皮膚4之間,藥物離子在直流靜電場5電場力的驅動下導入人體皮膚4。?

其中,所述隔離絕緣層7涂覆于所述摩擦發電機8的第一電極20或第二電極21外表面上,并在絕緣隔離層7上涂覆或鍍電場電極6,藥物離子載體3進一步涂覆于電場電極6上,摩擦發電機8、絕緣隔離層7、電場電極6與藥物離子載體3形成一體。?

圖2是上述摩擦發電機8的一個以高分子聚合物為基礎的典型結構,有效尺寸4.5cm×1.2cm,,總厚度大約是400μm。摩擦發電機8就像一個由兩種不同聚合物片組成的三明治結構,該摩擦發電機8包括依次放置的第一電極20,第一高分子聚合物絕緣層22,第二高分子聚合物絕緣層24和第二電極21。如圖2所示,一個矩形的(4.5cm×1.2cm)聚酰亞胺(Kapton)薄膜(厚度125μm,杜邦500HN)作為第一高分子聚合物絕緣層22,柔性聚酯(聚對苯二甲酸乙二醇酯,PET)薄膜基底(厚度220μm)用作第二高分子聚合物絕緣層24。第一高分子聚合物絕緣層22的一個表面上具有微納凹凸結構25,另一個表面上通過濺射涂膜的方法鍍有合金金屬導電薄膜(厚度100nm,圖3?中Au),該合金金屬導電薄膜即為第一電極20。第二高分子聚合物絕緣層24的一個表面上具有微納凹凸結構25,另一個表面上通過濺射涂膜的方法鍍有合金金屬導電薄膜(厚度100nm,圖3中Au),該合金金屬導電薄膜即為第二電極21。第一高分子聚合物絕緣層22的具有微納凹凸結構25的表面與第二高分子聚合物絕緣層24的具有微納凹凸結構25的表面相對接觸疊放,層間沒有任何粘合物。?

該摩擦發電機8的兩個短的邊緣用普通膠布密封,來保證兩個聚合物絕緣層的適度接觸。第一電極20和第二電極21在這里起兩個重要作用:(1)可以感應第一高分子聚合物絕緣層22與第二高分子聚合物絕緣層24接觸界面由于摩擦產生的電勢變化,生成等量但電性相反的移動電荷;(2)作為發電機的正負電極直接與外電路連接,是摩擦發電機的電壓和電流的輸出電極。該摩擦發電機8的整個制備工藝簡單,可以大規模生產。因此,本發明是可以在較低成本、較少原材料和加工工序的條件下實現。?

第一高分子聚合物絕緣層22與第二高分子聚合物絕緣層24的表面上具有微納凹凸結構25,該微納凹凸結構25的大小為150nm。?

微納凹凸結構25可以增加摩擦阻力,提高發電效率。微納凹凸結構25可以在薄膜制備時直接形成,也可以用打磨的方法使將高分子聚合物薄膜的表面形成不規則的微納凹凸結構。?

圖3是摩擦發電機8發電原理的圖解。當外力作用于摩擦發電機8上時,第一高分子聚合物絕緣層22與第二高分子聚合物絕緣層24產生形變,并且在它們接觸界面的區域發生互相接觸和摩擦。外力機械作用使得第一高分子聚合物絕緣層22與第二高分子聚合物絕緣層24發生相對滑動。該低程度摩擦所造成的結果是,由于第一高分子聚合物絕緣層22與第二高分子聚合物絕緣層24表面納米級粗糙度(微納凹凸結構25)的存在,等量但電性相反的靜電荷在接觸界面處生成并分布在第一高分子聚合物絕緣層22與第二高分子聚合物絕緣層24表面上,第二高分子聚合物絕緣層24(聚酯薄膜)表面主要帶正電荷,而第一高分子聚合物絕緣層22(聚酰亞胺薄膜)表面主要帶負電荷,這樣就在接觸界面處形成了一個稱之為摩擦電勢的偶極層,該偶極層在第一電極20和第二電極21間就形成一個內電勢。由于聚合物膜本身是絕緣的,?所以感生電荷不會被迅速導走或中和。?

為了抵消內電勢生成對整個系統的影響,第一電極20和第二電極21將分別感應出電性相反的自由電荷,而感應到的自由電荷在外電路導通的情況下將發生中和,通過負載進而形成外電流。當外力作用消失時,第一高分子聚合物絕緣層22與第二高分子聚合物絕緣層24由彎曲狀態恢復到平整狀態,這個過程中第一高分子聚合物絕緣層22與第二高分子聚合物絕緣層24再次發生相對滑動和摩擦,偶極層由于接觸界面處電荷的中和而改變,內電勢同時改變。內電勢的改變將再次導致,第一電極20和第二電極21發生感應,產生與彎曲狀態完全相反的自由電荷。自由電荷流經外電路負載時,再次形成與彎曲情況下相反的外電流。通過反復摩擦和恢復,就可以在外電路中形成周期性的交流電信號。?

在本實施例中,單獨表征聚合物摩擦電發電機8的電輸出性能。由于第一電極20和第二電極21間第一高分子聚合物絕緣層22與第二高分子聚合物絕緣層24的存在,摩擦電發電機8在I-V(電流-電壓)的測量表現出典型的開路特征。使用周期振蕩(0.33Hz和0.13%的形變)的步進電機使摩擦電發電機發生周期的彎曲和釋放,摩擦電發電機的最大輸出電壓和電流信號分別達到了23V和1.2μA(0.22μA/cm2的電流密度)。?

將該摩擦電發電機8的第一電極20、第二電極21分別與整流器2連接,將整流器2的一個直流電極與電場電極6連接,另一個直流電極與人體皮膚4連接。如圖7所示,在摩擦電發電機8的0.33Hz頻率和0.13%的形變下,經過2s時間整流器2整流后,在電場電極6與人體皮膚4之間形成直流電場5,最大開路電壓峰值23V,最大短路電流峰值1.2μA。該直流電場5能夠驅使藥物離子根據同性電荷相斥導入人體皮膚。?

實施例2?

本實施例提供另外一種摩擦電電場驅動藥物離子導入的系統具體實施方式,不同于實施例1的是摩擦發電機8的結構不同。本實施例中摩擦發電機8是一個以高分子聚合物為基礎的全透明結構。摩擦發電機8就像一個由兩種不同聚合物片組成的三明治結構,兩個聚合物片相互堆疊在一起,中間夾一?個居間薄膜。該摩擦發電機8包括依次放置的第一電極40,第一高分子聚合物絕緣層42,居間薄膜44,第二高分子聚合物絕緣層45和第二電極41。?

如圖4所示,采用聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)作為第一高分子聚合物絕緣層42,同時采用聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)作為第二高分子聚合物絕緣層45。采用常規真空濺射技術在第一高分子聚合物絕緣層42的一個表面上形成用作第一電極40的銦錫氧化物(ITO)導電薄膜,在第二高分子聚合物絕緣層45的一個表面上形成用作第二電極41的銦錫氧化物(ITO)導電薄膜。?

與實施例1不同的是,在第一高分子聚合物絕緣層42與第二高分子聚合物絕緣層45之間設有居間薄膜44。該居間薄膜44為聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜,居間薄膜44的一個表面上設有規則的四棱錐型的微納凹凸結構,居間薄膜44未設有微納凹凸結構的表面與第二高分子聚合物絕緣層45粘貼。第一高分子聚合物絕緣層22的未形成第一電極40的表面與居間薄膜44的具有微納凹凸結構的表面相對接觸疊放,層間沒有任何粘合物。?

當摩擦發電機8發生彎曲或受到外力摩擦或者超聲振動時,居間薄膜44與第一高分子聚合物絕緣層22摩擦感應出電荷,感應電荷形成內電勢,進一步在第一電極40和第二電極41上分別感應出電荷,連通外電路即可產生電流。?

如圖5所示,該全透明發電機的制作方法如下。首先如圖所示制作硅模板,4英寸<100>晶向的硅片用光刻的方法在表面做出規則的圖形。做好圖形的硅片用濕刻的工藝各向異性刻蝕,可以刻出凹形的四棱錐陣列結構,或者也可以用干刻的工藝各向同性刻蝕可以刻出凹形的立方體陣列結構。刻好之后的模板用丙酮和異丙醇清洗干凈,然后所有的模板都在三甲基氯硅烷(Sigma?Aldrich公司)的氣氛中進行表面硅烷化的處理,處理好的硅模板待用。制作具有微納凹凸結構表面的PDMS膜,首先將聚合PDMS用單體(Si(CH3)2Cl2)和固化劑(Sylgard?184,Tow?Corning)以10:1的質量比混合。然后將所得混合物涂覆于硅模板表面,經過真空脫氣過程后,用旋轉涂覆的方式將硅片表面多余的混合物去掉,形成一層薄薄的PDMS液體膜。將整個模板在85攝氏度的環境中固化1小時,之后一層均勻的具有特定微結構陣列?的PDMS膜就可以從模板上剝離。然后,將該膜固定在一片干凈的鍍有銦錫氧化物(ITO)導電層的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)絕緣層的未鍍有導電層的表面上,固定的方法是用一層薄的未固化的PDMS層作為粘結層。經過固化后,PDMS膜就牢牢的固定于PET的絕緣層上。然后,再將另一鍍有ITO的PET膜覆蓋在PDMS層上,就形成一個類似三明治結構的摩擦發電機。摩擦發電機的頂部和底部都有透明的導電ITO電極(第一電極40和第二電極41)。摩擦發電機的兩個短側邊緣用普通透明膠帶粘合保證PET層和PDMS層在接觸界面處有足夠的接觸面積。然后用銀漿將兩根銅導線分別固定于上下兩片ITO電極上,至此整個柔性透明摩擦發電機制備完成。該發電機的有效尺寸統一固定在4.5cm×1.2cm,整個摩擦發電機的厚度大約是460μm。?

雖然本實施例使用的PDMS的微納凹凸結構為四棱錐型,但是本領域技術人員應當理解其它形狀的能夠起到摩擦作用的微納凹凸結構也在本發明的保護范圍之內。圖6中,提供了三種PDMS圖形陣列制作過程,包括條紋狀,立方體型和四棱錐型。這三種微納凹凸結構的表面顯微SEM圖如圖6a-c所示,每個PDMS的陣列單元大小被限制在約10微米,優選的,其尺度小到5微米。高分辨的放大倍數為5000倍的SEM照片表明,所有的微納凹凸結構的陣列單元都是非常均勻和規則的,說明這是制備大尺度均勻塑性微納凹凸結構的一個很有效的方法。更重要的是,每個四棱錐單元都有一個完整幾何結構的銳利尖端,這將有利于其在發電過程中增加摩擦面積和提高摩擦發電機的電能輸出效率。此外,制備好的PDMS薄膜具有很好的伸縮性和透明性。?

用一個線性電機馬達以一定頻率控制摩擦發電機的彎曲和釋放(在0.33Hz的頻率和0.13%的形變),具有四棱錐結構的摩擦發電機的最大輸出電壓和電流信號分別高達17V和1.7μA(0.31μA/cm2的電流密度),可以與那些以壓電材料和復雜設計為基礎的壓電發電機相媲美。?

相比于平板薄膜摩擦發電機,有規則圖形陣列的發電機的輸出效率顯著增加,電壓提高約5倍,可以歸因于兩個主要因素:(1)具有微納凹凸結構的薄膜的摩擦效應遠遠高于同等厚度的平板薄膜。一個均勻的粗糙表面具有較大的接觸面積,可以在摩擦過程中產生更多的表面電荷。(2)具有微納凹凸結構的薄膜在摩擦過程中其內電容的容量顯著提高,這是由于空氣空隙的?存在和有效介電常數的增加。當兩片聚合物膜完全被粘合時,空氣空隙的減少和摩擦性能的減弱會導致電能輸出能力明顯降低。因此,基于四棱錐或立方體結構PDMS膜的摩擦發電機與平板無微納凹凸結構的摩擦發電機相比,其電能輸出幾乎提高了5-6倍。?

將該摩擦電發電機8的第一電極20、第二電極21分別與整流器2連接,將整流器2的一個直流電極與電場電極6連接,另一個直流電極與人體皮膚4連接。如圖8所示,在摩擦電發電機8的0.33Hz頻率和0.13%的形變下,經過2s時間整流器2整流后,在電場電極6與人體皮膚4之間形成直流電場5,最大開路電壓峰值17V,最大短路電流峰值1.7μA。該直流電場5能夠驅使藥物離子根據同性電荷相斥導入人體皮膚。?

實施例3?

本實施例提供另外一種摩擦電電場驅動藥物離子導入的系統具體實施方式,不同于實施例1的是摩擦發電機8的結構不同。也是如圖4所示結構,不同的是第一高分子聚合物絕緣層42采用一個矩形的(4.5cm×1.2cm)聚酰亞胺薄膜(厚度125μm,杜邦500HN,Kapton),其一個表面通過濺射涂膜的方法鍍有用作第一電極40的合金金屬薄膜(厚度100nm,Au);第一高分子聚合物絕緣層45也為矩形的(4.5cm×1.2cm)聚酰亞胺薄膜(厚度125μm,杜邦500HN,Kapton),并在其一個表面上通過濺射涂膜的方法鍍有用作第二電極41的合金金屬薄膜(厚度100nm,Au),居間薄膜44為柔性聚甲基丙烯酸甲酯(厚度50μm,PMMA),居間薄膜上設有規則的四棱錐型的微納凹凸結構第一電極40和第二電極41,與電流表連接。測試結果為,最大輸出電壓和電流信號分別為12V和0.5μA(0.09μA/cm2的電流密度)。?

因此,在本發明提供的摩擦電促進藥物離子導入的系統中,薄膜型的摩擦發電機在超聲振動或者摩擦外力的作用下可在兩個極板上產生一個交變電場,該交變電場經過整流器作用后可轉變成為一個脈沖型直流靜電場。因此,在電場電極與人體皮膚間就形成一個單向直流靜電場,載體中的藥物離子在靜電場的驅動下可定向導入到人體皮膚中。本發明提供的摩擦電促進藥物離子導入的系統,可根據不同離子的特性,有選擇性的改變電場電極與人體皮?膚之間的電場方向。該系統可集成和反復使用,只需更換不同藥物離子載體,即可適用于不同藥物離子的吸收。?

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