一种基于柔性介电声学谐振的局部面部超声促渗贴片结构

本发明属于生物医学领域，具体涉及一种基于柔性介电声学谐振的局部面部超声促渗贴片结构。

背景技术：

1、人体皮肤最外层的角质层是一层厚约10-20μm的高度角质化脂质屏障，能够有效阻止外界物质进入皮肤。对于分子量大于500da的活性成分，如透明质酸（>100万da）、胶原蛋白（>30万da）、多肽等大分子美容活性物质，传统涂抹方式下的经皮吸收率通常仅为5%-10%，绝大多数有效成分无法透过角质层到达目标皮肤层次，造成产品功效严重受限，而超声促渗是一种利用超声波能量暂时性增加皮肤渗透性的物理促渗方法，其基本机制包括：（1）声波在液态介质中产生周期性压力波动，引起角质层脂质双分子层结构的暂时性紊乱；（2）在特定条件下产生声空化效应，空化气泡的生长与溃灭产生微射流，在角质层形成暂态微通道，大幅度降低大分子物质的经皮传输阻力。

2、然而，传统超声促渗设备多为手持式刚性探头（压电陶瓷材料），存在以下局限：1.需要全程手持操作，无法实现长时间连续贴敷式促渗；2.刚性探头无法紧密贴合面部曲面区域（如鼻唇沟、眼周等），耦合不均匀，超声能量传输效率低；3.设备体积大、成本高，不适合家用美容场景，但是，柔性可穿戴超声贴片以基于聚二甲基硅氧烷（pdms）封装的压电换能器阵列和基于介电薄膜的静电谐振换能器为代表，使得将超声发生单元集成到柔性基底中成为可能，然而，现有柔性超声贴片方案在面向局部面部美容这一特定应用场景时，仍存在以下不足：

3、1）现有超声透皮促渗贴片均基于压电驱动机制（pzt、zno、aln、pvdf等压电材料），压电陶瓷圆片或压电薄膜的制备工艺复杂、成本高，且压电陶瓷固有的脆性限制了贴片的柔性折叠能力；

4、2）现有方案均面向全脸大面积均匀覆盖设计，未考虑法令纹、眼周、额头等面部局部区域的解剖差异（曲率、皮肤厚度、敏感性、护理面积），导致统一的超声输出参数在部分区域效果不佳或存在安全性风险（如眼周过强的超声刺激）；

5、3）现有柔性超声贴片的换能器组件与皮肤接触组件为一体化设计（如换能器嵌入面膜基材），使用后需整体废弃，造成电子元件浪费和单次使用成本偏高。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种改进的基于柔性介电声学谐振的局部面部超声促渗贴片结构。

2、为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案如下：

3、一种基于柔性介电声学谐振的局部面部超声促渗贴片结构，其包括超声促渗贴片、耦合层、驱动电路模块，其中超声促渗贴片包括依次布局的正面封装层、电极结构层和背面封装层，耦合层粘附在背面封装层，特别是，超声促渗贴片的厚度为200mm以内；电极结构层包括柔性介电薄膜层、形成在柔性介电薄膜层正面的互指电极层、形成在柔性介电薄膜层背面的接地电极层，其中接地电极层与互指电极沿压电层法向构成法向电场分量，互指电极层包括沿着面部贴敷区域宽幅方向布局的第一梳齿电极和第二梳齿电极，其中第一梳齿电极和第二梳齿电极基于面部贴敷区域轮廓上下或左右交错且间隔排列；驱动电路模块在互指电极层与接地电极层之间施加交流电压信号，以使得交替穿插的两个梳齿电极之间产生周期性交变静电场；且该交变静电场对柔性介电薄膜层施加周期性静电作用力，驱动柔性介电薄膜层以与交流信号同步的频率发生微米至纳米级的周期性机械振动；耦合层为生物相容性水凝胶耦合层，柔性介电薄膜层振动产生的声波通过背面封装层传递至生物相容性水凝胶耦合层，再经水凝胶介质传递至皮肤，其中水凝胶中的液态成分和细胞间质液在声压波动的负压相形成微气泡，气泡在声波周期中经历稳定的体积振荡或在高压下剧烈溃灭，生物相容性水凝胶耦合层中负载的美容活性物质在气泡促渗下，经角质层微通道扩散进入表皮层和真皮层。

4、优选地，气泡促渗包括微射流效应、脂质双分子层扰动和声流效应，其中微射流效应是指气泡非对称溃灭产生的高速微射流直接冲击角质层，形成瞬态微通道；脂质双分子层扰动是指声波周期性压力扰动角质层细胞间脂质双分子层的有序排列，降低扩散阻力；声流效应是指声波在液体中引起的稳态声流促进活性物质向皮肤内部的对流传输。即，采用气泡（声空化核）的振荡和溃灭（惯性空化）产生以下效应促进活性物质经皮渗透，相较于传统美容超声仪的1-5mhz和中频超声的220khz以内，本方案的20mhz以内超声在组织中的声波衰减系数更大，能量沉积更集中于表皮下2mm范围以内，匹配美容活性物质的靶向递送深度（表皮至真皮浅层），同时避免了低频超声可能造成的深层组织过度加热。

5、根据本发明的一个具体实施和优选方面，第一梳齿电极包括沿着面部贴敷区域宽幅上部轮廓布局的第一梳背、并排布局在第一梳背上的多根第一梳齿；第二梳齿电极包括沿着面部贴敷区域宽幅下部轮廓布局的第二梳背、并排布局在第二梳背上的多根第二梳齿；其中第一梳背和第二梳背上下错位隔开，第一梳齿和第二梳齿交替且错位间隔；和/或，第一梳齿电极和第二梳齿电极为柔性电极，且分别通过沉积或印刷在柔性介电薄膜层的正面；和/或，第一梳齿和第二梳齿的宽度为30-150μm，且第一梳齿和第二梳齿的间距为30-150μm。简言之，互指电极层沉积于柔性介电薄膜的上表面，由两组梳齿状交错排列的金属电极组成，每组电极包含多根平行延伸的指状导体，两组电极的指状导体交替穿插排列。电极材料优选cr/au（铬粘附层5-10nm+金导电层50-200nm），也可采用其他高导电率金属材料（如al、pt、ag等），通过光刻-金属沉积-剥离工艺或丝网印刷工艺制备。

6、优选地，互指电极的关键几何参数为：梳齿的宽度（线宽）为30-150μm，优选70μm；相邻梳齿之间的间距为30-150μm，优选70μm；梳齿的总数可根据有效发声面积需求设置为10-200对。同时两组互指电极连接至交流驱动信号的正极（或反相端），另一组连接至交流驱动信号的负极（或正相端），在两组电极之间施加高频交流电压以产生交变静电力场。

7、根据本发明的一个具体实施和优选方面，柔性介电薄膜层为聚酰亚胺薄膜、聚偏氟乙烯薄膜或其他低介电损耗、高击穿场强的柔性高分子薄膜；和/或，柔性介电薄膜层的厚度为15-150μm。即，柔性介电薄膜层位于互指电极层与下表面接地电极层之间，作为介电弹性振动核心元件，材料优选聚酰亚胺（pi）薄膜，备选材料包括聚偏氟乙烯（pvdf）薄膜或其他低介电损耗、高击穿场强的柔性高分子薄膜。pi薄膜的厚度为15-150μm，优选25-100μm，更优选25μm或50μm。pi薄膜厚度直接影响声学谐振频率和谐振效率，较薄的薄膜在相同驱动电压下产生更大的振动幅度。

8、根据本发明的又一个具体实施和优选方面，接地电极层为沉积于柔性介电薄膜下表面的整面金属层。接地电极层为沉积于柔性介电薄膜下表面的整面（非图案化）金属层。材料优选cr/au（铬粘附层5-10nm+金导电层50-200nm），也可采用其他高导电率金属。接地电极层连接至驱动电路的地端（gnd），与上表面互指电极之间形成垂直电场分布。

9、根据本发明的又一个具体实施和优选方面，生物相容性水凝胶耦合层为可替换的一次性组件；和/或，生物相容性水凝胶耦合层为聚乙烯醇水凝胶、聚丙烯酰胺水凝胶或壳聚糖基水凝胶；和/或，生物相容性水凝胶耦合层的厚度为0.2-2.0mm。水凝胶耦合层为可替换的一次性组件，位于下层pdms封装层与皮肤表面之间，通过物理粘附或机械卡扣方式与换能贴片主体可拆卸连接。水凝胶材料优选聚乙烯醇（pva）水凝胶、聚丙烯酰胺（paam）水凝胶或壳聚糖基水凝胶，厚度为0.2-2.0mm。水凝胶耦合层的核心功能为：（i）作为声学耦合介质，填充贴片与皮肤曲面之间的微观间隙，阻抗匹配以减少声反射损失；（ii）提供柔软缓冲，提高佩戴舒适性；（iii）可选择性地预负载美容活性物质（如透明质酸、胶原蛋白、多肽、烟酰胺、维生素c衍生物等），在使用过程中随超声促渗作用递送至皮肤。

10、根据本发明的又一个具体实施和优选方面，驱动电路模块设置于贴片的一侧边缘或背面非发声区域，且驱动电路模块包括可调占空比的脉宽调制控制器、信号发生器、功率放大器和电池；和/或，驱动电路模块向互指电极输出频率为10-40mhz、电压峰-峰值为10-200v的交流驱动信号。驱动电路模块在互指电极层与接地电极层之间施加高频交流电压信号（频率约10-40mhz，优选约20mhz），在交替穿插的互指电极梳齿之间产生周期性交变静电场。该交变电场对位于互指电极层与接地电极层之间的柔性介电薄膜（pi）施加周期性静电作用力（麦克斯韦应力），驱动pi薄膜以与交流信号同步的频率发生微米至纳米级的周期性机械振动。驱动电路模块设置于贴片的一侧边缘或背面非发声区域，包括微型高频信号发生器、功率放大器和纽扣电池（如cr2032，3v）。驱动电路向互指电极输出频率为10-40mhz（优选约20mhz）、电压峰-峰值为10-200v的交流驱动信号。驱动电路可包括可调占空比的脉宽调制（pwm）控制单元，以实现间歇式工作模式。

11、在一些具体实施方式中，正面封装层的厚度为50-200μm；正面封装层为电极结构层提供电气绝缘保护、柔性支撑，且材质为聚二甲基硅氧烷。即，正面封装层位于贴片最外侧，采用聚二甲基硅氧烷（pdms）材料，厚度为50-200μm，其主要功能为：（i）为下层ide电极提供电气绝缘保护，防止使用过程中与外部导体接触发生短路；（ii）提供柔性结构支撑，pdms的弹性模量可调，保障贴片的可弯曲性；（iii）pdms具有良好的生物相容性，符合iso10993标准要求。

12、在一些具体实施方式中，背面封装层的厚度为20-100μm，且提供接地电极的绝缘保护以在生物相容性水凝胶耦合层结合面形成机械过渡界面。

13、此外，面部贴敷区域包括贴敷法令纹区域、贴敷眼周区域、贴敷额头区域，其中贴敷法令纹区域时，面部贴敷区域轮廓沿鼻唇沟方向延伸，梳齿电极左右交替间隔，有效发声面积为1.5–4.0cm2，生物相容性水凝胶耦合层厚度为0.3–1.0mm，占空比为50–70%，单次作用时间为10–20min；贴敷眼周区域，面部贴敷区域轮廓避开眼球正上方，梳齿电极上下交替间隔，有效发声面积为0.8–2.0cm2，生物相容性水凝胶耦合层厚度为0.5–2.0mm，占空比为30–50%，单次作用时间为5–10min；贴敷额头区域，面部贴敷区域呈梯形，梳齿电极上下交替间隔，有效发声面积为3.0–8.0cm2，生物相容性水凝胶耦合层厚度为0.3–1.0mm，占空比为50–80%，单次作用时间为10–20min。简言之，法令纹区域皮肤相对较厚（约2mm表皮+真皮），护理目标为纹路改善和深层促渗，可承受中等偏高的超声强度；眼周区域皮肤最薄（约0.5mm），敏感度最高，需严格控制超声功率和作用时间以保障安全性；额头区域相对平整，面积较大且皮肤厚度适中，适合均匀覆盖和较长作用时间。

14、由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：

15、现有超声透皮促渗贴片，基于压电驱动机制（pzt、zno、aln、pvdf等压电材料），压电陶瓷圆片或压电薄膜的制备工艺复杂、成本高，且压电陶瓷固有的脆性限制了贴片的柔性折叠能力；同时面向全脸大面积均匀覆盖设计，未考虑法令纹、眼周、额头等面部局部区域的解剖差异（曲率、皮肤厚度、敏感性、护理面积），导致统一的超声输出参数在部分区域效果不佳或存在安全性风险（如眼周过强的超声刺激）；此外，换能器组件与皮肤接触组件为一体化设计（如换能器嵌入面膜基材），使用后需整体废弃，造成电子元件浪费和单次使用成本偏高等等不足，而本发明基于柔性介电声学谐振的局部面部超声促渗贴片结构的整体设计，巧妙地解决了现有的各种不足，采用该超声促渗贴片结构后，首先基于静电驱动产生机械振动，以使得介电薄膜声学谐振；其次声波经水凝胶耦合至皮肤，并由声空化效应打开角质层微通道；最后基于水凝胶耦合层中负载的美容活性物质（如透明质酸、多肽、胶原蛋白、烟酰胺等）在声空化促渗机制的作用下，经角质层微通道扩散进入表皮层和真皮层，实现高效递送，超声停用后，角质层微通道在皮肤自身修复机制下自然闭合，无永久性损伤，因此，本发明一方面基于无压电材料的纯介电静电驱动，配合互指电极，不仅将贴片整体厚度可控制在200μm以内，而且能够匹配贴敷区域的柔性弯曲；另一方面基于声空化促渗，匹配耦合层中美容活性物质的靶向递送深度（表皮至真皮浅层），同时阻抗匹配以减少声反射损，也避免了超声可能造成的深层组织过度加热，此外，每次更换耦合层即可实现贴片结构的重复使用，最大程度兼顾了用户经济性、皮肤接触舒适和卫生安全性。