自驅動柔性給藥電子系統新進展——光伏驅動柔性有機離子泵

2020-12-06 騰訊網

轉自微信公眾號：柔性電子服務平臺

作者：南山

生物電子醫學領域目前正處於快速發展時期。目前存在很大的需求來進行藥物針對性開發，以及精確藥量控制的智能電子解決方案。將藥物輸送設備與生物傳感器連接在一起可以實現過實時數據監控，記錄和決策制定物聯網反饋控制藥物輸送。而柔性電子是這種新型生物電子概念實現的關鍵要素之一。目前用於直接電控藥物輸送的裝置之一是有機電子離子泵（OEIP）。該裝置允許精確的電子離子轉換，從而實現小尺寸離子類藥物的定向輸送。OEIP的工作原理是選擇性電泳方式將藥物離子從離子交換膜（IEM）的源溶液傳輸到目標靶體中。後者由離子導電聚電解質製成，通常是由高密度特定電荷的聚合物製備而成。基於帶電側基的極性，主要分為陽離子和陰離子交換膜。沿膜方向施加定向電場，特定離子從一端（源）傳輸到另一端（靶）。該技術已成功應用於多種體內應用，從感覺調節到控制癲癇發作等。藥物釋放可以通過藍牙實現無線控制。

然而，所有在體內應用都需要電源和響應的控制器單元，這些控制器單元通過組織連接到達OEIP設備。目前主要存在的是連接線的問題，連接線的存在是生物醫學環境中應用該技術的主要障礙。侵入性的接線方式提高了患者感染炎症的機會，特別是對於長期治療應用。因此，開發最小尺寸的植入設備，降低手術風險，提高患者舒適度的角度上考慮都是在鼓勵開發無線傳輸方案。研發的重點是開發用於無線功率輸送和對植入裝置。到目前為止，主要的能源設備包括電池，身體能量收集（例如，生物燃料電池，熱電或壓電發電機和傳輸能量的外部動力單元（超聲波裝置，感應電力傳輸和光刺激）。目前，隨著光伏技術的快速發展，已經證明使用光伏（PV）裝置的光電轉換可以為各種表皮和可植入技術提供動力。剛性單晶矽光伏組件已被用於為豬模型中的心臟起搏器供電。而彈性的GaInP /砷化鎵的PV能夠支持在無毛小鼠模型起搏器操作。最近，Rogers等人報導了基於多晶矽的可生物降解PV陣列。這項工作的問題是如何製造集成無線OEIP，它保留了構成OEIP本身的有機電子元件固有的低厚度和柔韌性。作為電泳裝置，需要輸送精確的電壓以驅動特定的離子電流，從而驅動特定的輸送速率。此外，IEM通常具有高電阻率以提供必要的離子選擇性和良好的ON / OFF比，因此OEIP需要相對高的電壓但是低電流。

為了滿足這些參數，瑞典的林雪平大學的研究人員選擇將OEIP與薄有機光伏（OPV）電池結合，從而實現在低光強度條件下提供驅動電泳離子傳輸所需的電壓。選擇OPV活性材料以強烈吸收組織透明窗口（600-700nm）中的紅光。OPV憑藉其高吸收係數材料，允許製造具有

圖 1 由柔性有機電子離子泵與有機光伏器件集成的自動化無線給藥系統示意圖。a柔性襯底上集成OPV和OEIP組件的示意圖。b在626nm的2.6mW / cm 2漫射照射下測量單個二極體和多個二極體的I（V）曲線。c集成設備粘附在皮膚上照片

圖2 光伏電池驅動離子泵操作。a 用甲基紅pH指示劑染料驗證的光碟機動離子泵實驗。b乙醯膽鹼泵送實驗。c兩種不同尺寸的光電驅動離子泵的在線電流實驗結果對比。

圖3 通過組織來進行光致動離子傳輸。a一個集成的OEIP，OPV陣列層壓在實驗者的手指上，手放在發射波長為630 nm的紅色LED上。約2mW / cm 2的光強度穿過手指。b使用通過手指照射的裝置測量的I（V）曲線，與使用類似光強度記錄的測量值相比較。c驗證成功的光碟機H +抽水。將0.1 M HCl加入到右側的儲液器中，而將甲基紅pH值指示器放入左側儲液器中。pH梯度（右側較低的pH）在1分鐘時微弱可觀察到。

參考文獻：Wireless organic electronic ion pumps driven by photovoltaics，Marie Jakešová, Theresia Arbring Sjöström, Vedran Đerek, David Poxson, Magnus Berggren, Eric Daniel Głowacki & Daniel T. Simon，npjFlexible Electronics，2019，3, 14 .

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