[发明专利]一种用于生物体的超声驱动柔性压电器件及其制备与应用

说明书

本发明属于生物电子医学领域，公开了一种用于生物体的超声驱动柔性压电器件及其制备与应用，该器件包括压电薄膜层，具体为无机压电纳米材料与有机压电聚合物掺杂的复合压电材料；无机压电纳米材料为铌酸钾钠纳米线，且表面被聚多巴胺PDA所修饰；有机压电聚合物为P(VDF‑TrFE)、PLA、PHBV、PLLA中的至少一种；压电薄膜层能够在超声作用下利用压电效应产生电动势。本发明通过对器件的结构、细节组成进行改进，通过无机压电纳米材料与有机压电聚合物掺杂的复合材料，构成超声波响应的柔性超薄的可植入的生物能源电子器件，尤其可应用于神经刺激，神经组织修复以及体内无线充电供能等方向。

技术领域

本发明属于生物电子医学领域，尤其是无线化供能生物电子器件领域，更具体地，涉及一种用于生物体的超声驱动柔性压电器件及其制备与应用，能够作为神经刺激、神经组织修复以及新型的无线化供能生物电子器件应用。

背景技术

近年来，生物医学电子器件作为一种新型的神经假体和生物电子药物成为治疗各种临床病症的有力工具，为目前临床疾病治疗提供了一种精准的临床治疗方案。哺乳动物的神经系统中，存在数以亿计的神经元或神经细胞通过突触传递细胞电，化学，机械等信号，使得基体得以快速应对各种刺激，并快速做出各种应激反应。神经系统错综复杂，一旦神经传递网络出现中断或受到破坏，就会出现如帕金森综合征，阿尔兹海默症，重度抑郁症等精神疾病以及运动功能丧失、炎症和内分泌紊乱等疾病。神经电刺激技术可以恢复受损神经的功能，修正因神经回路紊乱造成的精神疾病，其原理是神经细胞受到特定的刺激，恢复受阻的离子通道，从而能够有效地治疗与生物电有关的精神疾病。目前比较成熟的神经电刺激技术，是植入式生物电子器件如神经电极以及一些商业化的神经刺激器如迷走神经刺激器，脑起搏器，脊髓刺激器等，已成功运用于临床研究。然而，目前这些宏观电子器件植入由于器件体积大，手术植入会导致创伤，器件材料与神经组织之间的弹性模量不匹配、电子器件及其供电线路相对于神经组织机械微动等因素会引起的炎性反应，进而导致电子器件周围形成瘢痕，同时神经电极的性能会逐渐下降甚至失效。此外，目前商业刺激器的能量储存时间短，使得长期植入受到限制，因此，探索柔性无线化供电或自供电的神经刺激器，是植入式电刺激器面临的挑战。

近年来，基于压电、摩擦发电效应的可植入发电器件可以从人体各种器官振动(如呼吸、心跳、肌肉拉伸)收集能量，这些器件主要着重于对外部机械力如收集人体自身的动力驱动压电器件，相应的发电机在外界振动的刺激下，产生的电信号很微弱而且不可控。例如，李等人报道了一种可植入摩擦电纳米发电机，通过手术将摩擦发电机植入猪的心脏，将心脏跳动产生能量转化为电能，用于心脏起搏的能量来源，并为大型动物心脏起搏提供了自充电技术。王等人报道了一种可植入的摩擦电纳米发电机，植入到老鼠的胃上，收集胃的蠕动获取能量，直接将产生的电能刺激迷走神经，从而达到减肥的目的。这些自供电的柔性纳米发电机体积小，可长期持续供电的优势，在没有集成电池供电的情况下大大减小了设备的尺寸，这有利于长期植入。然而，从器官机械运动中获取能量的自供电可植入纳米发电机的电学输出相当微弱。此外，目前报道的自供能发电器件输出的电流密度、脉冲宽度、刺激频率和操作时效性不能很好地控制，在神经刺激应用中受到极大的限制。

驱动可植入柔性发电机的另一种方法是使用可控的无线外部能源，比如超声波。例如，Zhou等人设计了一种基于1-3型无铅压电复合材料KNN的压电超声能量收割机(LF-PUEH)装置，用于潜在的视网膜电刺激应用。采用改进的填充技术制备了LF-PUEH器件(可参见现有技术文献：L.Jiang,Y.Yang,Y.Chen,Q.Zhou,Nano Energy,77(2020)105131.)。该器件由1mm厚的KNN柱阵列，并用环氧树脂填充得到。LF-PUEH装置可以由超声波驱动产生压电输出。虽然该器件用超声驱动，但存在以下问题：器件尺寸厚而硬，植入后容易引起创伤；此外，在超声波驱动下，输出很低，在神经刺激有局限性。因此，探索微型化、柔性、可操作和无线植入医疗系统是目前植入式医疗系统面临的挑战。

发明内容