一种植入式光电心脏起搏器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种植入式光电心脏起搏器及其制备方法，该制备方法直接将通过气‑液‑固(VLS)生长机制生长的径向结太阳能电池制作成光电心脏起搏器贴片或起搏线，或对其采用酸处理、超声等方法，获得可注射的纳米或微米级的光电起搏器，通过贴片、微创注射植入手术，将该光电起搏器应用在心外膜表面或注射入心肌表层，在体内接受光照时其能产生大的开路电压或电荷，实现对心肌的刺激，在无电池、无导线的条件下使心脏起搏。该发明专利技术可减少患者更换供电装置带来的身体损伤及高额的手术费用，同时减少导线穿过静脉时带来的炎症反应；且依托于半导体产业成熟的制作工艺，该光电心脏起搏器的太阳能电池结构可以进行批量生产，且成本低廉。

An implantable photoelectric cardiac pacemaker and its preparation method

The invention relates to an implantable photoelectric cardiac pacemaker and a preparation method thereof. The preparation method directly produces a photoelectric cardiac pacemaker patch or pacemaker wire through a radial junction solar cell grown by a gas-liquid-solid (VLS) growth mechanism, or uses acid treatment, ultrasound and other methods to obtain an injectable nanometer or micrometer photoelectric pacemaker by patching and minimally invasive injection. After implantation, the photoelectric pacemaker can be applied on the epicardial surface or injected into the myocardial surface. When illuminated in vivo, it can generate large open-circuit voltage or charge, which can stimulate the myocardium and pacemaker without battery or lead. The invention can reduce the body damage and high operation cost caused by the replacement of power supply device, and reduce the inflammation caused by the wire passing through the vein; and relying on the mature manufacturing technology of the semiconductor industry, the solar cell structure of the photoelectric cardiac pacemaker can be mass produced with low cost.

【技术实现步骤摘要】
一种植入式光电心脏起搏器及其制备方法
本专利技术涉及生物医用植入材料
，具体地说是一种植入式光电心脏起搏器及其制备方法。
技术介绍
人工心脏起搏器是一种临床上广泛使用的一种植入式电子设备，可通过发出规律的电脉冲刺激心肌收缩。常用于心脏相关的病态窦房结综合症或房室传导阻滞的治疗，以恢复患者心律，改善患者生活质量和延长患者生命周期。通常，心脏起搏器由其内部电池供电，电池的寿命决定了起搏器的使用年限，虽然电池技术的进步使其存储容量有所增加，但使用寿命仍然有限。因此，每隔7到10年，必须采用手术以换下埋入胸部皮肤下的耗尽电池。因此，增加了患者的痛苦和经济负担，并使发病率增加甚至存在潜在的死亡风险。由于少量光线，尤其是近红外光，能够穿透人体皮肤，因此有研究提出可通过光伏效应，利用太阳能电池，将透过皮肤的太阳光转换为电能，为心脏起搏器供电，从而实现无电池的起搏。Haeberlin等构建了一个可以从周围的阳光中获取能量的皮下植入太阳能模块，并将这种太阳能模块成功地为起搏器供电(A.Haeberlin,etal,Europace,2014,16(10):1534-1539.)。Song等制作了一种超薄光伏电池，通过皮下捕获透过皮肤组织的光并随后为起搏器供电，从而在体内获得更高水平的能量(K.Song,etal,AdvHealthcMater,2016,5(13):1572-1580.)。然而，上述方法均类似于常用的商业心脏起搏器，一般需要将这些庞大的太阳能电池植入锁骨附近的皮肤，或被植入皮下，并且需要经静脉传输电刺激。这种植入方式可能引发一系列的副反应疾病，如引发与经静脉相关的并发症，导线移位、静脉阻塞、三尖瓣关闭不全和心内膜炎等；引起和皮下囊袋相关的感染和血肿等；此外，皮肤糜烂和败血症也是不可避免的。因此，如何提供一种小型化的光电起搏器，可以自供电，并且与人的心脏形成良好的接触，或注入心肌，直接且连续地驱动心脏跳动而无需外部电源和连接线，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。
技术实现思路
有鉴于此，本申请的目的在于提供一种植入式光电心脏起搏器及其制备方法，以实现自供电，并且与人的心脏形成良好的接触，或注入心肌，直接且连续地驱动心脏跳动而无需外部电源和连接线。为了达到上述目的，本申请提供如下技术方案。一种植入式光电心脏起搏器的制备方法，S1、将衬底材料清洗干净，置于等离子体增强化学的气相沉积系统中，以低熔点的Sn作为催化剂，通过气-液-固(VLS)生长机制，低温下生长径向结太阳能电池；S2、将步骤S1中制得的径向结太阳能电池不处理获得柔性光电起搏贴片或起搏线，或置于酸性溶液中溶解成单分散的径向结纳米级光电起搏器，或先覆盖一层透明的薄膜材料后溶解以获得微米级径向结光电起搏器的组合体。优选地，所述步骤S2中先覆盖一层透明的薄膜材料，再用透明的柔性高分子薄层再次覆盖，然后经过酸处理，在开始分离的同时，将整片柔性高分子薄层用镊子撕下，去离子水清洗后，获得柔性光电起搏器贴片。优选地，所述步骤S1中径向结太阳能电池为PIN径向结纳米线，其基本结构是以中心P型硅纳米线为中心的轴向核壳结构，从里到外依次为P型纳米线，I层非晶硅(本征层)和N层非晶硅。优选地，所述PIN径向结纳米线的直径为150～300nm。优选地，所述P型纳米线的直径为40～80nm，I层非晶硅的厚度为80～150nm，N层非晶硅的厚度为5～10nm；所述P型纳米线的掺杂浓度为1015～1016cm-3，所述N层非晶硅的掺杂浓度为1016～1017cm-3。优选地，所述步骤S1中衬底材料为铝箔、金属钨丝、氧化硅片及表面淀积氧化硅膜的氮化硅片中的至少一种。优选地，所述铝箔的厚度为20～25μm，所述金属钨丝的直径为0.1～0.6mm，所述氧化硅片的厚度为500±10μm，其氧化层厚度为200～600nm。优选地，所述步骤S2中薄膜材料为SU8、AZ5214、氮化硅薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷及聚氨酯中的至少一种。优选地，所述步骤S2中柔性高分子薄层为PDMS、聚氨酯、聚二甲基硅氧烷及聚乳酸-羟基乙酸共聚物中的至少一种。上述制备方法制备的一种植入式光电心脏起搏器，具有自供电功能，并且与人的心脏形成良好的接触，或注入心肌，直接且连续地驱动心脏跳动而无需外部电源和连接线。本专利技术所获得的有益技术效果：1)本专利技术解决了现有心脏起搏器由电池供电，每隔7到10年，必须采用手术以换下埋入胸部皮肤下的耗尽电池，增加了患者的痛苦和经济负担，并使发病率增加甚至存在潜在死亡风险的缺陷；相比传统心脏起搏电极，本专利技术具有自供电功能，并且与人的心脏形成良好的接触，或注入心肌，直接且连续地驱动心脏跳动而无需外部电源和连接线；2)本专利技术采用纳米量级太阳能电池结构，由传统半导体硅材料制成，具有良好的生物亲和性，对机体无毒副作用，并且便于结合微创手术技术，能够高效、准确且安全地将纳米光电起搏器送至心脏表面，大大减轻了手术对患者造成的创伤；依托于半导体产业成熟的制作工艺，太阳能电池结构可以进行批量生产，且成本低廉；3)本专利技术通过光伏效应，使起搏器表面产生电压或电荷，直接接触心脏刺激，不需要额外的供电装置，且不需要导线，减少患者更换供电装置带来的身体损伤及高额的手术费用，同时减少导线穿过静脉时带来的炎症反应；4)本专利技术具有优异的电学性能，在低强度光照条件下，即可实现较大的电刺激；只需要一个纳米太阳能电池单元即可引起心脏的起搏，即该起搏器占用的空间极小，效率高，更有望获得纳米级起搏器。上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。根据下文结合附图对本申请具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述及其他目的、优点和特征。附图说明为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。图1是PIN径向结纳米线贴片SEM图；图2是实施例1中光电起搏器贴片置于心脏表面的照片；图3是实施例1中光电起搏器贴片置于心脏表面光照前后的心电图。具体实施方式为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本申请的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本申请的范围和精神。另外，为了清除和简洁，实施例中省略了对已知功能和构造的描述。本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种植入式光电心脏起搏器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将衬底材料清洗干净，置于等离子体增强化学的气相沉积系统中，以低熔点的Sn作为催化剂，通过气‑液‑固(VLS)生长机制，低温下生长径向结太阳能电池；S2、将步骤S1中制得的径向结太阳能电池不处理获得柔性光电起搏贴片或起搏线，或置于酸性溶液中溶解成单分散的径向结纳米级光电起搏器，或先覆盖一层透明的薄膜材料后酸溶解以获得微米级径向结光电起搏器的组合体。

【技术特征摘要】
1.一种植入式光电心脏起搏器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将衬底材料清洗干净，置于等离子体增强化学的气相沉积系统中，以低熔点的Sn作为催化剂，通过气-液-固(VLS)生长机制，低温下生长径向结太阳能电池；S2、将步骤S1中制得的径向结太阳能电池不处理获得柔性光电起搏贴片或起搏线，或置于酸性溶液中溶解成单分散的径向结纳米级光电起搏器，或先覆盖一层透明的薄膜材料后酸溶解以获得微米级径向结光电起搏器的组合体。2.根据权利要求1所述的植入式光电心脏起搏器的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，先覆盖一层透明的薄膜材料，再用透明的柔性高分子薄层再次覆盖，然后经过酸处理，在开始分离的同时，将整片柔性高分子薄层用镊子撕下，去离子水清洗后，获得柔性光电起搏器贴片。3.根据权利要求1或2所述的植入式光电心脏起搏器的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中径向结太阳能电池为PIN径向结纳米线，其基本结构是以中心P型硅纳米线为中心的轴向核壳结构，从里到外依次为P型纳米线，I层非晶硅(本征层)和N层非晶硅。4.根据权利要求3所述的植入式光电心脏起搏器的制备方法，其特征在于，所述PIN径向结纳米线的直径为150～300nm。5.根据权利要求3所述的植入式...

【专利技术属性】
技术研发人员：余林蔚，雷亚奎，曹璐瑶，刘宗光，王军转，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32