CN102830356A - 人体嵌入式元器件的生物老化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子元器件组装与加工技术领域，涉及一种人体嵌入式元器件的生物老化方法，包括下列步骤：将人血白蛋白蛋白溶于水中，得到近人体环境的人血清白蛋白溶液；将人体嵌入式元器件放入人血清白蛋白溶液中；在37℃的恒温环境下放置一段时间，使人体嵌入式元器件与人血清白蛋白溶液接触并发生反应，完成老化过程。
Description
所属技术领域
本发明属于电子元器件组装与加工技术领域，涉及一种人体嵌入式元器件。
背景技术
2010年3月28日，英国《自然—纳米技术》报道了美国佐治亚理工学院王中林教授的研究小组的两项研究新成果：具有高电压输出的纳米发电机、首次实现基于纳米线的自驱动纳米体系。2010年4月16日，美国《科学》杂志新闻焦点栏目发表综述文章，介绍将废弃能量转化为可用电能的纳米发电机。文章说：“将运动能量转化为电能的这种微小设备不可能驱动城市，但它们很快就足以能为手持电子设备和看不见的感应器阵列充电。”
纳米发电机的理念是由王中林于2006年首先提出的，之后，美国《科学》杂志将纳米发电机的研发作为一个崭新领域推出。提高纳米发电机的输出电压和功率的最终目标，是实现纳米器件的自驱动化，即不需要外接电源或电池。
最近20年，纳米科学界对纳米材料合成的应用研究方兴未艾，特别是纳米器件研究。纳米器件具有功耗小、反应灵敏等宏观器件所不具有的优势。从2000年开始，王中林意识到氧化锌纳米材料独特的半导体、光学和生物特性，先后合成出氧化锌纳米带、纳米环和纳米螺旋。但这些研究主要集中在纳米器件本身，如何解决纳米器件的充电电源是一个新问题。
压力材料一般是指由锆钛酸铅组成的一种薄膜。早在1880年，科学家就发现，将电压作用在这种压力材料上，会让其产生应变；也就是说，压力材料能将电能转化为机械能。
2006年初，在美国《科学》杂志的论文中，王中林提出了通过由压电材料合成的纳米线将机械能转化为电能，并首次提出了纳米发电机的原理。随后，他把压电所产生的电场应用于控制半导体中载流子的输运过程，因此提出了压电电子学（Piezotronics）的新概念。
哈佛大学国际纳米技术领军人Charles Lieber教授高度评价说，该工作是极其令人振奋的，因为它提出了解决纳米技术中一个极其要害问题的方案，那就是如何来实现许多研究组所发明的纳米器件的供电问题在认识和解决该重大科学和技术问题上王教授充分发挥了他的原创性，那就是利用先创的氧化锌纳米线来实现把力能转换为电能。
这一发明可以整合纳米器件，实现真正意义上的纳米系统，它可以收集机械能，比如人体的运动、肌肉的收缩、血液的流动；震动能，比如声波、超声波；甚至流体能量，比如体液的流动、血液的流动、动脉的收缩，并将这些能量转化为电能提供给纳米器件。这一纳米发电机所产生的电能足够供给纳米器件或系统所需，从而实现自供能，无线纳米器件和纳米机器人。这也是全世界纳米领域的最让人激动的重大发现，这一开创性的发明，一定会引起整个纳米学界对纳米电源方面研究的巨大热潮。
白蛋白中含有大量的氨基（每分子585个），其电负性相比于羟基、羧基都要强，更容易与金属离子进行配位络合。在体液pH7.2-pH7.4的环境中，白蛋白为负离子，每分子可以带有200个以上负电荷，使得白蛋白非常易于和金属离子进行络合。
Zn2+与氨基络合，造成部分白蛋白失活，溶液中活性蛋白含量降低，从而拉曼光谱白蛋白的峰值强度不断降低。Zn2+与白蛋白发生络合反应，溶液中ZnO的含量也随之降低，从而拉曼光谱ZnO的峰值强度不断降低。
当ZnO材料从二维平面不断缩小尺寸，至零维颗粒，甚至一维纳米线的过程中，比表面积急剧增加，尖端裸露的ZnO分子与蛋白的接触呈几何数量级上升。ZnO纳米线尖端的Zn2+与氨基相互吸引，O2-与氨基相互排斥。当ZnO阵列尺度减小至纳米级别，Zn2+与氨基之间的相互吸引与Zn2+、O2-之间的吸引力逐渐平衡，当Zn2+与氨基之间的相互吸引大于Zn2+、O2-之间的吸引力时，Zn2+即从ZnO中脱离而进入蛋白溶液中。
Zn2+与氨基络合，造成部分白蛋白变性，溶液中活性蛋白含量降低，从而拉曼光谱白蛋白的峰值强度不断降低。Zn2+与白蛋白发生络合反应，溶液中ZnO的含量也随之降低，从而拉曼光谱ZnO的峰值强度不断降低。
ZnO纳米发电机植入人体，不可避免地要受到免疫系统的攻击。免疫细胞的膜表面蛋白(抗体的受体蛋白，普遍存在与免疫细胞上)会对人体异物进行攻击。ZnO基底的纳米阵列在与人体内蛋白等物质接触的过程中需要保证对体内蛋白不产生干扰，以及物质交换。不然其危险程度不亚于向人体内引入重金属Zn。
Zn2+在氧空位的状态下处于游离态，易于脱离并与周围物质发生反应。蛋白之间的相互作用一般是范德华力、氢键、离子键。从而，Zn2+即有可能进入蛋白，从而进入有可能引起蛋白发生病变的位点，造成蛋白的病变、失活等现象。
故需要类似于传统电子技术中的老化试验来完成ZnO基材料在进入人体之前的最后一步处理工艺。确保ZnO纳米发电机真的做到生物兼容。
发明内容
本发明的目的是提供一种生物老化方法，实现人体嵌入式元器件的生物兼容。本发明的技术方案如下：
一种人体嵌入式元器件的生物老化方法，包括下列步骤：
（1）将人血白蛋白蛋白溶于水中，得到近人体环境的人血清白蛋白溶液；
（2）将人体嵌入式元器件放入人血清白蛋白溶液中；
（3）在37℃的恒温环境下放置一段时间，使人体嵌入式元器件与人血清白蛋白溶液接触并发生反应，完成老化过程。
作为优选实施方式，所述的人体嵌入式元器件为ZnO纳米带阵列，在37℃的恒温环境下放置的时间超过4小时。
本发明的方法，可以实现对植入人体的元器件进行标准环境下的生物老化工艺，可为科学家们探索生物医学世界提供新的实验手段，应用范围也相当广泛。
具体实施方式
首先对本发明的技术方案进行详细说明：
将人血白蛋白蛋白溶于蒸馏水中，得到近人体环境的人血清白蛋白溶液（人体内白蛋白浓度为40-55mg/ml）。利用移液枪将一定浓度的蛋白溶液移入标准规格EP管中，蛋白溶液全部装入多只EP管中。
ZnO纳米带阵列置于白蛋白溶液后，将EP管放入37℃的恒温恒湿生物箱中，ZnO纳米带阵列与人体浓度相同的白蛋白溶液接触，时间分别为：1h～24h。
分别取出不同时间内的样品，进行拉曼光谱表征分析，找到光谱性能不再随反应时间继续变化的点，那个数据点，就是纳米带结构ZnO阵列纳米发电机的生物老化工作点。
下面是一个实施例：利用将250mg蛋白溶于蒸馏水6ml中，得到42mg/ml的人血清白蛋白溶液（人体内白蛋白浓度为40-55mg/ml）。利用移液枪将1ml蛋白溶液移入1.5ml规格EP管中，蛋白溶液全部装入6支EP管中。
ZnO纳米带阵列置于白蛋白溶液后，将EP管放入37℃的恒温恒湿箱中，ZnO纳米带阵列与人体浓度相同的白蛋白溶液接触，时间分别为：1h、2h、4h、8h、16h、24h。
拉曼光谱的测试表明，样品在4h反应时间后，基本完成老化试验效果。
Claims (2)
1.一种人体嵌入式元器件的生物老化方法，包括下列步骤：
（1）将人血白蛋白蛋白溶于水中，得到近人体环境的人血清白蛋白溶液；
（2）将人体嵌入式元器件放入人血清白蛋白溶液中；
（3）在37℃的恒温环境下放置一段时间，使人体嵌入式元器件与人血清白蛋白溶液接触并发生反应，完成老化过程。
2.根据权利要求1所述的人体嵌入式元器件的生物老化方法，其特征在于，所述的人体嵌入式元器件为ZnO纳米带阵列，在37℃的恒温环境下放置的时间超过4小时。
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