一种全可降解电刺激系统及其制备方法

1.本发明属于生物医疗领域，具体涉及一种全可降解电刺激系统。


背景技术：

2.电刺激(electrostimulation,es)通过模拟内源性电场调节生物电状态，可以加速组织修复、骨折愈合，促进损伤神经再生和防止肌肉萎缩等，在临床实践中作为一种很有前途的非药物治疗方法而受到广泛肯定，并已获得美国食品和药物管理局(us food and drug administration，简称fda)的批准。
3.适当强度和频率的脉冲电场可以激活细胞相关基因表达，促进损伤组织细胞的增殖和分化，并积极刺激组织再生。然而，临床上使用的电刺激疗法依赖于大型和复杂的设备，依赖市电工频直接供电或电池驱动，存在携带不便、电池能量耗尽、坏境污染等弊端，且治疗过程需要频繁就诊并由专业医生操作。此外，现有电刺激系统不能降解，需要额外的手术移除，进一步限制了它们在实际临床应用中的潜力。
4.因此，目前急需解决电刺激器件体积相对较大、不可降解、需二次手术取出或者外部无线供能装置制备流程较复杂等一系列限制其临床转化的潜在问题。


技术实现要素：

5.为了克服现有技术上的问题，本发明提供了一种可用于电刺激治疗的全可降解系统，该系统结构简单、取材广泛、生物安全、易于柔性化和微型化，且由机体机械运动直接供能。
6.本发明提供以下技术方案：
7.一种全可降解电刺激系统，包括纳米发电机和电刺激电极，所述纳米发电机通过心跳、呼吸、机体运动产生持续电流和/或电压，传导至所述电刺激电极，电刺激电极固定于体内神经、肌肉、骨的靶位置，将电刺激电流和/或电压作用于靶位置。
8.进一步的，所述纳米发电机为摩擦纳米发电机、压电纳米发电机或压电-摩擦复合纳米发电机。
9.进一步的，所述摩擦纳米发电机从内至外依次为相对设置的第一高分子弹性摩擦层、第二高分子摩擦层，第一金属层、第二金属层，封装层，所述第一高分子摩擦层为弹性体摩擦层且内表面设有微纳结构，第一金属层贴合在第一高分子弹性摩擦层外侧，第二金属层贴合在第二高分子摩擦层外侧，第一高分子弹性摩擦层与第二高分子摩擦层之间形成空气层间隔，最外层设有封装层；
10.所述压电纳米发电机从内至外依次为相应设置的压电层，第一金属电极层、第二金属电极层，封装层，所述第一金属电极层和第二金属电极层分别与压电层上下表面分别贴合，最外层设有封装层；
11.所述压电-摩擦复合纳米发电机从内至外依次为相对设置的第一金属层，压电层、第一高分子弹性摩擦层，第二金属层、第三金属层，封装层。所述第一高分子摩擦层为弹性
体摩擦层且内表面设有微纳结构，第一高分子弹性摩擦层与第一金属层内表面之间形成空气层间隔，压电层内外侧分别与第一金属层和第二金属层相互贴合，第一高分子弹性体摩擦层另一侧与第三金属层相互接触，最外层通过封装层进行封装。
12.进一步的，所述第一高分子弹性体摩擦层为水凝胶、聚氨酯pu、聚癸二酸甘油酯pgs、聚柠檬酸辛二醇酯poc、聚羟基脂肪酸酯phas、聚肽生物弹性体中的一种或多种，厚度为200-500μm；
13.所述第二高分子摩擦层为胶原蛋白、纤维蛋白、蚕丝、胶原蛋白、纤维蛋白、蚕丝、淀粉、藻酸盐、几丁质、透明质酸衍生物、天然聚酯、聚乳酸pla、聚羟基乙酸pga、聚乳酸-羟基乙酸共聚物plga、聚已内酯pcl、聚乙烯醇pva、聚乙二醇peg、再生纤维素、淀粉塑料、聚3-羟基丁酸酯phb、3-羟基丁酸酯和3-羟基戊酸酯的共聚物phbv、3-羟基丁酸酯和3-羟基己酸酯的共聚物phbh中的一种或多种，厚度为50-100μm；
14.所述金属层为镁、铁、锰、锌、硅、钼、氧化镁、四氧化三铁、氧化锰、氧化锌、二氧化硅、二氧化钼基氧化物，或ae21镁合金、mg-zr-y合金中的一种或多种，厚度为20-500nm；
15.所述压电层为聚左旋乳酸plla、甘氨酸、胶原、纤维、甲壳素中的一种或多种，厚度为20-200μm；
16.所述封装层材料为聚乳酸pla、聚羟基乙酸pga、聚乳酸-羟基乙酸共聚物plga、聚已内酯pcl、聚乙二醇peg、聚乙烯醇pva和聚乳酸聚乙醇酸共聚物中的一种或多种的柔性绝缘材料，厚度为10-100μm。
17.进一步的，所述电刺激电极为针状电极、螺旋状电极，基底层为导线基底，导线基底为可降解高分子线或金属丝，基底层外侧设有导电层，导电层为可降解金属，封装层包覆导电层，两端裸露，封装层为可降解高分子聚合物，两端裸露的导线分别与所述纳米发电机、靶位置相连。
18.或者，所述电刺激电极为片状电极、叉指电极，电极包括基底层、导电层和封装层，基底层为柔性薄膜基底，基底层材质为可降解高分子聚合物，导电层为可降解金属，最外侧设有封装层，封装层为可降解高分子聚合物，通过外接导线分别与所述纳米发电机、靶位置相连。
19.进一步的，所述导线基底为羊肠线、可吸收plga医用缝合线、pla线、镁丝、铁丝、钼丝；
20.所述导电层为镁、铁、锰、锌、硅或钼可降解金属；
21.所述封装层为聚乙烯醇、聚几内酯、聚乳酸、聚羟基丁酸戊酸酯、壳聚糖或海藻酸钠基。
22.一种制备全可降解电刺激系统的方法，包括以下步骤：
23.步骤一 取可降解聚乳酸pla颗粒，高温熔融后放入结构模板中，得到螺旋状导线基底；
24.步骤二 螺旋状导线基底经表面处理，以可降解金属为靶材，磁控溅射，在螺旋状导线基底中形成20-100nm厚的金属导电层；
25.步骤三 取聚乳酸pla溶液置于3d打印的pva沟槽里，待聚乳酸pla薄膜半干剥离，聚乳酸pla薄膜包裹在金属导电层之上，螺旋状导线基底两端留有裸露导线；
26.步骤四 将柠檬酸加入在1,8-辛二醇之中，在氮气条件下，高温融化混合物，将预
聚体溶液加入微碗结构的聚二甲基硅氧烷模板中，真空下聚合，制得第一高分子弹性摩擦层聚柠檬酸辛二醇酯poc，厚度为200-500μm；
27.步骤五 将聚乳酸pla溶解在氯仿溶液中，浇铸在玻璃板上，除去剩余溶剂，制得聚乳酸pla薄膜厚度50-100μm，制得第二高分子摩擦层；
28.步骤六 利用磁控溅射技术，以可降解金属为靶材、在第一高分子弹性摩擦层聚柠檬酸辛二醇酯poc溅射沉积可降解金属作为第一金属层，厚度20-500nm；在第二高分子摩擦层聚乳酸pla一侧沉积可降解金属作为第二金属层，厚度20-500nm；
29.步骤七 在第一金属层、第二金属层的外侧继续成膜聚乳酸pla作为封装层，利用热压技术组装各层。
30.采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
31.(1)本发明利用可降解材料为基底，通过微纳加工、柔性封装制备出全可降解电刺激系统。该系统可释放电压或电流刺激，解决了现如今电刺激器件需要电池供能且预后需要二次手术移除的难题，使得临时医疗器件可实现体内完全降解，减轻了病患的痛苦。
32.(2)本发明的电刺激以电场的形式作用于神经、肌肉、骨，以达到促进伤口愈合、骨修复、神经损伤修复及功能重建的目的。可用于中枢神经损伤如脊髓、外周神经损伤如坐骨神经或者肌肉、骨。由机体机械运动直接供能，并且可在机体内自行降解或被机体吸收代谢。
附图说明
33.图1是本发明中摩擦纳米发电机的核心结构示意图；
34.图2是本发明中压电纳米发电机的核心结构示意图；
35.图3是本发明中压电-摩擦复合纳米发电机的核心结构示意图；
36.图4是本发明的螺旋状电极结构示意图；
37.图5是本发明的叉指电极结构示意图；
38.图6是本发明的系统应用于大鼠的示意图；
39.图7是本发明具体实施例中植入式全可降解电刺激系统的制备流程图；
40.图8是全可降解电刺激系统输出性能测试结果；
41.图9是全可降解电刺激系统降解实验结果；
42.图10是全可降解电刺激系统促进伤口愈合结果。
43.附图标记说明
44.1纳米发电机、2电刺激电极、3迷走神经、4大鼠、5第一高分子弹性摩擦层、6第二高分子摩擦层、7第一金属层、8第二金属层、9封装层、10导线、11压电层、12第三金属电极层、13基底层、14导电层。
具体实施方式
45.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的结构图及具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
46.实施例1
47.本发明提供了一种全可降解电刺激系统，包括纳米发电机1和电刺激电极2，纳米发电机通过心跳、呼吸、机体运动产生持续电流和/或电压，传导至电刺激电极，电刺激电极固定于体内神经、肌肉、骨的靶位置，将电刺激电流和/或电压作用于靶位置。
48.电刺激以电场的形式作用于神经、肌肉、骨，以达到促进伤口愈合、骨修复、神经损伤修复及功能重建的目的。本发明可用于中枢神经损伤如脊髓、外周神经损伤如坐骨神经或者肌肉、骨。由机体机械运动直接供能，并且可在机体内自行降解或被机体吸收代谢。
49.其中，纳米发电机为摩擦纳米发电机、压电纳米发电机或压电-摩擦复合纳米发电机。
50.摩擦纳米发电机的原理是摩擦起电和静电感应效应。在外力驱动下，两层摩擦层相互接触，表面产生等量异种电荷；当外力撤去后，两层材料分离，正负电荷所产生的电势差会驱动电子流动，产生电流并实现力-电转换。
51.纳米发电机可以是摩擦纳米发电机，如图1所示，摩擦纳米发电机从内至外依次为相对设置的第一高分子弹性摩擦层5、第二高分子摩擦层6，第一金属层7、第二金属层8，封装层9。
52.第一高分子摩擦层为弹性体摩擦层且内表面设有微纳结构，第一高分子弹性摩擦层与第二高分子摩擦层内表面之间形成空气层间隔，第一金属层贴合在第一高分子弹性摩擦层外侧，第二金属层贴合在第二高分子摩擦层外侧，最外层设有封装层。
53.摩擦纳米发电机工作原理为摩擦起电与静电感应效应耦合作用。例如将摩擦纳米发电机植入到心脏处，与心脏贴合，心脏不停的跳动可使摩擦纳米发电机的第一高分子弹性摩擦层与第二高分子摩擦层发生周期性的接触-分离。当心脏收缩时，第一高分子弹性摩擦层与第二高分子摩擦层相互接触，两材料表面之间产生自由电子，电子从第二高分子摩擦层流向第一高分子弹性摩擦层。当心脏舒张时，第一高分子弹性摩擦层与第二高分子摩擦层相互分离，导致两个材料间距的增加，电子从第一高分子弹性摩擦层流向第二高分子摩擦层。随着心脏不停跳动，电子在摩擦电层之间循环往复运动，因此摩擦纳米发电机产生输出。
54.纳米发电机可以是为压电纳米发电机，如图2所示，压电纳米发电机从内至外依次为相应设置的压电层11，第一金属电极层7、第二金属电极层8，封装层9，第一、第二金属电极层分别与压电层上下表面贴合，最外层设有封装层。压电纳米发电机工作原理为压电效应。
55.将压电纳米发电机植入到心脏处且与心脏贴合，心脏不停的跳动可使压电纳米发电机收到外力而产生形变，压电层材料表面会产生正负电荷面，称之为极性面。这些极性面产生的压电势可用于驱动外部电路中电子的移动，实现机械能向电能的转化，压电发电机对外产生输出。
56.纳米发电机可以是为压电-摩擦复合纳米发电机，如图3所示，压电-摩擦复合纳米发电机从内至外依次为相对设置的第一金属层7，第一高分子弹性摩擦层5、压电层11，第二金属层8、第三金属层12，封装层9，所述第一高分子摩擦层5为弹性体摩擦层且内表面设有微纳结构，第一高分子弹性摩擦层5与第一金属层7内表面之间形成空气层间隔，压电层11内外分别与第一金属层7和第二金属层8相互贴合，第一高分子弹性体摩擦层5另一侧与第三金属层12相互接触，最外层通过封装层9进行封装。
57.压电-摩擦复合纳米发电机工作原理为摩擦起电效应、静电感应效应和压电效应耦合作用。器件植入到心脏处，随心脏跳动而对外产生输出。当器件受到心跳压力时，第一高分子弹性摩擦层5与第一金属层6相互接触。在此过程中，随着应力的增加，第一高分子弹性摩擦层5与第一金属层6接触面逐渐增大。随后，施加在压电材料上的应力逐渐增大。当表层与底层完全接触时，压电和摩擦电势均达到最大值。当力被释放时，各层均恢复到原来的状态，电子在压电和摩擦电位的作用下反向流动。周而复始的接触-分离，使得压电-摩擦复合纳米发电机对外产生输出。
58.其中，第一高分子弹性体摩擦层为水凝胶、聚氨酯pu、聚癸二酸甘油酯pgs、聚柠檬酸辛二醇酯poc、聚羟基脂肪酸酯phas、聚肽生物弹性体中的一种或多种，厚度为200-500μm。
59.第二高分子摩擦层为胶原蛋白、纤维蛋白、蚕丝、胶原蛋白、纤维蛋白、蚕丝、淀粉、藻酸盐、几丁质、透明质酸衍生物、天然聚酯、聚乳酸pla、聚羟基乙酸pga、聚乳酸-羟基乙酸共聚物plga、聚已内酯pcl、聚乙烯醇pva、聚乙二醇peg、再生纤维素、淀粉塑料、聚3-羟基丁酸酯phb、3-羟基丁酸酯和3-羟基戊酸酯的共聚物phbv、3-羟基丁酸酯和3-羟基己酸酯的共聚物phbh中的一种或多种，厚度为50-100μm。
60.金属层为镁、铁、锰、锌、硅、钼、氧化镁、四氧化三铁、氧化锰、氧化锌、二氧化硅、二氧化钼基氧化物，或ae21镁合金、mg-zr-y合金中的一种或多种，厚度为20-500nm；
61.压电层为聚左旋乳酸plla、甘氨酸、胶原、纤维、甲壳素中的一种或多种，厚度为20-200μm；
62.封装层材料为聚乳酸pla、聚羟基乙酸pga、聚乳酸-羟基乙酸共聚物plga、聚已内酯pcl、聚乙二醇peg、聚乙烯醇pva和聚乳酸聚乙醇酸共聚物中的一种或多种的柔性绝缘材料，厚度为10-100μm。
63.电刺激电极为针状电极、螺旋状电极，基底层为导线基底，导线基底为可降解高分子线或金属丝，基底层外侧设有导电层，导电层为可降解金属，封装层包覆导电层，两端裸露，封装层为可降解高分子聚合物，两端裸露的导线分别与所述纳米发电机、靶位置相连。
64.图4所示电极是螺旋状电极，基底层13为导线基底，导线基底为可降解高分子线，基底层中间上设有导电层14，导电层为可降解金属，封装层9包覆导电层，两端裸露，封装层为可降解高分子聚合物，两端裸露的导线分别与纳米发电机、靶位置相连。
65.或者电刺激电极为片状电极、叉指电极，电极包括基底层、导电层和封装层，基底层为柔性基底，导电层为可降解金属，最外侧设有封装层，封装层为可降解高分子聚合物，通过外接导线分别与纳米发电机、靶位置相连。
66.图5所示的电刺激电极为叉指电极，电极包括基底层、导电层和封装层，基底层13为柔性基底，导电层14为可降解金属，最外侧设有封装层9，封装层为可降解高分子聚合物，通过外接导线分别与纳米发电机、靶位置相连。
67.导线基底可以为羊肠线、可吸收plga医用缝合线、pla线、镁丝、铁丝、钼丝。导电层为镁、铁、锰、锌、硅或钼可降解金属。封装层为聚乙烯醇、聚几内酯、聚乳酸、聚羟基丁酸戊酸酯、壳聚糖或海藻酸钠。
68.系统由生物体呼吸、脉搏、心跳等机体运动直接供能，并可将电刺激作用于神经、肌肉、骨等组织，系统在完成工作使命后可自行降解排出体外或者机体吸收。
69.实施例2
70.本发明提供了一种螺旋状电极和摩擦发电机组成全可降解电刺激系统的制备方法。
71.如图7所示，制备螺旋状电极，取分子量为20000的聚乳酸pla颗粒，150℃下熔融，放入事先准备好的一体化结构模板中，得到螺旋状导线基底。
72.用表面等离子体进行处理5min，用高纯水冲洗完全后置于自然条件下风干。在绷直的情况下放置在包裹有平整铝箔的铝板上。放入表面等离子体共振仪中，在流量为200-300sccm的氧气氛下处理5min。取出后，将可降解高分子线连同铝箔放在溅射基片上，以钼mo为靶材、以100w的功率磁控溅射20min，此过程重复3次。在基底上形成20-100nm的钼mo导电层。
73.将聚乳酸pla颗粒通过30min 25hz、100w的超声溶解在氯仿溶液中，聚乳酸pla溶液的质量分数为5％。取10ml聚乳酸pla溶液置于18cm*5mm*3mm 3d打印的pva沟槽里，待聚乳酸pla薄膜半干时与沟槽剥离，得到3mm厚的聚乳酸pla薄膜。该过程重复两遍。将制得的可降解高分子线放在两片聚乳酸pla薄膜中间，两端分别剩余1cm，两端裸露的导线分别与纳米发电机、靶位置相连。中间压实并于自然状态下风干，得到聚乳酸pla包裹的一体化可降解电刺激导线，聚乳酸pla包裹为封装层。
74.使用万用表对导线的导电情况进行验证。打开万用表，将万用表调到欧姆档位，置于最大量程(无穷大)处，将万用表的红黑接线柱分别与其红黑导线的一端连接，将导线的另一端分别与制备得到的一体化电刺激导线导线的两端连接，万用表显示示数为零，证明制备得到了可降解电刺激电极导线。
75.制备摩擦发电机，从内至外依次为相对设置的第一高分子弹性摩擦层聚柠檬酸辛二醇酯poc、第二高分子摩擦层聚乳酸pla，第一金属层钼层、第二金属层钼层，封装层聚乳酸pla。
76.将等摩尔量的柠檬酸和1,8-辛二醇加入到250ml溶液中三颈圆底烧瓶，配有一个入口和出口适配器，在氮气流动的条件下，在硅油浴中搅拌160-165℃，将混合物熔化，然后系统温度降至140℃，混合物又搅拌了1h后，预聚体溶液加入微碗结构的聚二甲基硅氧烷模板中，在80℃、1pa的真空下聚合1d，生成具有一定交联度的半球阵列结构聚柠檬酸辛二醇酯poc可降解弹性体，其中半球阵列结构即为微纳结构，以提高两摩擦层的接触面积，制得第一高分子弹性摩擦层聚柠檬酸辛二醇酯poc。
77.合成第二高分子摩擦层聚乳酸pla，聚乳酸pla溶解在氯仿溶液中，质量分数为为5％，充分搅拌后浇铸在直径为9cm的玻璃板上，溶液风干12h，再置于烤箱中加热12h以排除剩余溶剂，所制得聚乳酸pla薄膜厚度约为50-100μm。
78.利用磁控溅射技术，以钼mo为靶材、以100w的功率，在第二高分子摩擦层聚乳酸pla一侧沉积20min，此过程重复3次。沉积的mo作为第二金属层，厚度20-500nm。在第一高分子弹性摩擦层聚柠檬酸辛二醇酯poc溅射沉积电极层mo作为第一金属层，功率为100w,时间为30min，厚度20-500nm。
79.在第一金属层、第二金属层的外侧继续成膜聚乳酸pla作为封装层。利用热压技术组装各层，热压温度为100℃，时间为5s。
80.实施例3
81.测试全可降解电刺激系统在体植入并由心脏跳动驱动时的输出性能。体外测试全可降解电刺激系统的降解性能。
82.如图8所示，将全可降解电刺激系统植入到sd大鼠心包外，利用心跳驱动全可降解电刺激系统并产生脉冲电刺激。利用示波器(hdo6104)测试全可降解电刺激系统在体内产生的电刺激电压及在体工作时的长程稳定性(8a、d)，利用静电计(keithley 6517b)测量其在体输出电流和转移电荷量(8b、c)。结合电阻箱，测试全可降解电刺激系统在不同负载电阻下电压、电流参数(8e、f)。输出电压为10.5v，输出电流为2μa，转移电荷量12nc，全可降解电刺激系统可稳定工作105个循环，等效电阻为5*106ω。
83.对该全可降解电刺激系统的可降解行为进行研究。对照组将全可降解电刺激系统沉浸在磷酸盐缓冲溶液中(1
×
pbs)。37℃下放置21d。每7d从pbs缓冲溶液中取出、干燥、拍照。21d时，系统整体几乎消失。
84.结果表明该电刺激系统在工作周期内可在体长程稳定工作，且完成工作使命后工作能自行降解。该系统可避免二次手术移除的风险，证明了用于电刺激治疗的可行性。
85.实施例4
86.在细胞中应用本发明的全可降解电刺激系统，证明本系统能够促进组织修复和伤口愈合。
87.在6孔板底部放置全可降解电刺激系统的叉指电极，叉指电极宽度为200μm，两平行电极间距为200μm。l929细胞在6孔细胞板中培养24h，然后用1,1-二十八烷基-3,3,3-四甲基烷基碳菁高氯酸盐(dii)染色20min。在去除dii染料后，用移液管尖端在l929细胞上制作与叉指电极平行且宽200μm的划痕，然后利用全可降解电刺激系统对细胞上施加不同的电场刺激。
88.施加在全可降解电刺激系统上的作用力与心跳产生的作用力大小相近，作用时间72h。用lecia tcs sp8共聚焦荧光显微镜检测细胞迁移。结果如图10所示，72h后，明显观察到细胞迁移越过划痕，划痕基本消失。
89.结果证明本系统可促进细胞迁移，并有巨大潜力用于组织修复和伤口愈合。
90.以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。