摩擦納米發電機首次利用呼吸產生的電能驅動心臟起搏器
來源:發布時間:2014-08-02

植入式醫療器件如心臟起搏器,在當今臨床醫學領域中占據了重要的地位,它極大地改善了患者的癥狀和生活質量,具有顯著的社會價值和經濟價值。作為新興的醫療器械發展方向,植入式醫療器件仍然面臨許多問題亟待突破,首先就是長效能源供給問題。現階段植入式器件主要依靠電池供電,工作壽命有限,一旦電池耗盡,病人不得不再次面對巨大的手術風險和經濟負擔。因此,開發長效的在體能源供給系統對于植入式醫療器件的發展意義重大。
    中國科學院北京納米能源與系統研究所王中林院士和李舟副教授領導的研究小組在針對植入式醫療器件的長效能源系統研制方面取得了進展,相關研究成果發表在最新一期的Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201402064)。鄭強博士、博士生石波璟和范鳳茹助理研究員共同研制了可植入式的自驅動能源系統,該系統包括可植入摩擦納米發電機和能量轉換存儲裝置兩部分。摩擦納米發電機的尺寸僅為12 mm×12 mm×0.7mm,開路電壓和短路電流分別達到12 V和0.25 μA,峰值功率密度可達8.44mW/m2。研究團隊將制作的自驅動能源系統植入大鼠體內,成功收集并轉化大鼠多個呼吸運動部位所產生的能量,以電能的形式儲存起來,并能夠驅動一個外接的心臟起搏器原型機工作,產生與醫用心臟起搏器一樣的電脈沖。根據理論計算,大鼠每呼吸5次,通過可植入摩擦納米發電機收集的能量即可成功驅動心臟起搏器工作1次。如果用到人體,僅通過呼吸就能夠連續驅動心臟起搏器,使其正常工作。
    這種基于生物體自身能量在體轉化的供能系統將極大地改善現有電池供能的弊端,延長植入式醫療器件的使用壽命,在植入式醫療領域中具有極大的應用前景。隨著植入式自驅動能源系統的進一步優化和完善,在未來將有望真正實現“生命不息,供能不止”,為廣大重癥患者帶來福音。

 

 

上圖: 植入式摩擦納米發電機驅動心臟起搏器工作系統流程圖

(插圖為植入式摩擦納米發電機結構展示)

下圖:由植入式摩擦納米發電機供能的心臟起搏器產生的電脈沖

(插圖為脈沖刺激下心臟收縮和舒張的實效圖)

 

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