一种与软组织力学适配的漏电流凝胶电刺激器及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种与软组织力学适配的漏电流凝胶电刺激器，其特征是，包括凝胶层、液态金属电极和基底层；所述液态金属电极位于所述基底层表面，且所述凝胶层覆盖在所述基底层表面，使所述液态金属电极被所述凝胶层包覆；所述凝胶层用含有丙烯酰胺、海藻酸钠、氯化钾、N,N

【技术实现步骤摘要】
一种与软组织力学适配的漏电流凝胶电刺激器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及生物医用领域，具体涉及一种与软组织力学适配的漏电流凝胶电刺激器及其制备方法。

技术介绍

[0002]刺激器通常使用化学、电、热和光学刺激提供反馈治疗作用，以响应生物传感结果；这种刺激物可以控制靶组织或器官的时空活动。电刺激器就是以一定方式固定/贴合/佩戴在软组织处，并以一定方式发送电荷到该目标位置，诱发响应，以达到减轻疼痛、肌肉治疗以及运动康复等功能目的。而且电刺激已被用于控制神经元和肌肉(包括心脏)行为，以修复不规则活动、缓解疼痛或促进组织再生。
[0003]电刺激器通常由导电电极/电极阵列和封装层构成。目前常用的商用电刺激器，如袖带电极，一般以弹性体和树脂作为封装电极的材料(即封装层)，其杨氏模量较大，达到10MPa以上，与软组织的杨氏模量不匹配，因此现有的电刺激器容易损伤软组织，而且会导致电刺激器发生分层或者断裂的情况；再加上上述的封装材料没有粘附性，不能与软组织紧密贴合，长时间使用容易发生异位，从而影响刺激效果。
[0004]除此之外，由于现有的电刺激器在使用时通过电极与软组织直接接触并对其发送电荷，所以向电极注入电流后，在电极与软组织的接触界面会发生电化学反应，对软组织或周围环境造成不良影响，如引起局部pH变化、产生有害副产物以及造成局部热损伤等。
[0005]因此，目前存在两大难点限制了电刺激器的加工使用：一是电刺激器与软组织接口如何完美结合，即指两者贴合紧密以及杨氏模量匹配，是亟待解决的问题；二是如何避免由电化学反应产生的可能的组织损伤。

技术实现思路

[0006]本专利技术的第一目的为提供一种与软组织力学适配的漏电流凝胶电刺激器，该凝胶电刺激器杨氏模量与软组织匹配，具有低组织损伤和低炎症反应的特点。
[0007]本专利技术的第二目的为提供上述凝胶电刺激器的制备方法。
[0008]本专利技术的第三目的为提供一种与上述凝胶电刺激器配合使用的医用粘结剂。
[0009]为了实现上述第一目的，本专利技术提供了以下技术方案。
[0010]一种与软组织力学适配的漏电流凝胶电刺激器，其特征是，包括凝胶层、液态金属电极和基底层；所述液态金属电极位于所述基底层表面，且所述凝胶层覆盖在所述基底层表面，使所述液态金属电极被所述凝胶层包覆；
[0011]所述凝胶层用含有丙烯酰胺、海藻酸钠、氯化钾、N,N
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亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵、四甲基乙二胺、和/或无水硫酸钙的溶液，经光固化后制得；
[0012]所述基底层的材料为PDMS(聚二甲基硅氧烷)或Ecoflex(硅橡胶)。
[0013]本专利技术是基于所述凝胶层的阻抗小、能有效地注入电流、杨氏模量低、生物安全性高的特点，利用其与液态金属电极、PDMS/Ecoflex基底层组成三层结构的软体电刺激器，即
本专利技术所述的凝胶电刺激器。所述凝胶电刺激器实现了低组织损伤和低炎症反应的目的，具体是基于以下原理：
[0014]①
本专利技术所述凝胶层杨氏模量低，与软组织的杨氏模量相互匹配，因此本专利技术所述凝胶电刺激器在使用过程中通过凝胶层与软组织接触贴合，能够降低炎症反应的发生几率，减少出现软组织损伤的情况；此外，所述凝胶层具有一定的粘附性，使所述凝胶电刺激器与软组织贴合，减少两者间界面阻抗，有利于保证电刺激的效果。
[0015]②
本专利技术所述凝胶电刺激器在使用时，凝胶层将液态金属电极的电流转换为离子电流，即漏电流，对软组织进行刺激，避免了直接刺激对软组织产生的局部热损伤，以及局部pH值变化造成的损伤；具体而言，在本专利技术中，凝胶层充当缓冲系统，当向液态金属电极注入电流后，凝胶层和液态金属电极的界面发生电化学反应，所以电化学反应产生的副作用在到达生物组织之前就可以被凝胶层充分缓冲，从而减少电极对周围组织的不良影响；在液态金属与凝胶层界面处，电子电流在电场作用下转化为离子电流，从而消除了生物界面上的电子
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离子电流转换，防止软组织损伤；而且，由于凝胶层含水量较高，电流注入所产生的热量会在其中扩散，不会在软组织表面积聚，从而减少软组织局部热损伤。
[0016]③
本专利技术利用PDMS/Ecoflex作为基底层暴露在外侧，不仅可以防止凝胶层失水，延长凝胶电刺激器的使用寿命，而且防止电流向外无效扩散，起到绝缘封装作用，提高电刺激的效率。
[0017]本专利技术所述的液态金属为镓、镓铟合金、镓锌合金、镓铟锡合金或铋锡合金中的一种或两种以上的组合。优选地，所述液态金属为镓锌合金和镓铟锡合金的组合。
[0018]优选地，制备凝胶层的溶液中包含无水硫酸钙；本专利技术可以通过调整溶液中无水硫酸钙与海藻酸钠的比例，调整凝胶层的杨氏模量，进而使其能够匹配不同的软组织，令本专利技术的凝胶电刺激器能应用于各种软组织并减少其损伤。
[0019]本专利技术还提供上述凝胶电刺激器的制备方法，包括以下步骤：
[0020](1)称取PDMS预聚物与固化剂，混合搅拌后静置，得到溶液A1；
[0021]将溶液A1倒入培养皿中，放入真空干燥箱中，抽真空，然后放入烘箱中加热，得到固化的PDMS；
[0022]或者，
[0023]称取Ecoflex的A液与B液，混合搅拌后静置，得到溶液A2；
[0024]将溶液A2倒入培养皿中，放入真空干燥箱中，抽真空，然后放入烘箱中加热，得到固化的Ecoflex；
[0025](2)以步骤(1)得到的PDMS或Ecoflex作为基底层，在其表面打印液态金属电极；
[0026](3)将二苯甲酮溶于乙醇中，得到溶液B；向打印有液态金属电极的基底层表面滴加溶液B，对其进行改性，然后用甲醇清洗3次，氮气吹扫干燥；
[0027](4)将丙烯酰胺、海藻酸钠、氯化钾、N,N
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亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵、四甲基乙二胺、和/或无水硫酸钙溶于水中，配置凝胶前驱体溶液，得到溶液C；
[0028](5)将溶液C滴加到改性的基底层表面，用PET板覆盖，在紫外光下进行光固化，得到凝胶层，完成封装，使液态金属电极被所述凝胶层包覆，得到凝胶电刺激器。
[0029]进一步地，所述步骤(1)中制备PDMS时，PDMS预聚物与固化剂的质量比为9
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11:1，静置时间为5
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15min；抽真空时间为20
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40min，加热温度为50
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90℃，加热时间为2
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4h。
[0030]进一步地，所述步骤(1)中制备Ecoflex时，Ecoflex的A液与B液的质量比为0.5
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1.5:1，静置时间为5
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15min；抽真空时间为20
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40min，加热温度为50
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90℃，加热时间为2
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4h。
[0031]进一步地，所述步骤(2)中液态金属电极为镓本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种与软组织力学适配的漏电流凝胶电刺激器，其特征是，包括凝胶层、液态金属电极和基底层；所述液态金属电极位于所述基底层表面，且所述凝胶层覆盖在所述基底层表面，使所述液态金属电极被所述凝胶层包覆；所述凝胶层用含有丙烯酰胺、海藻酸钠、氯化钾、N,N
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亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵、四甲基乙二胺、和/或无水硫酸钙的溶液，经光固化后制得；所述基底层的材料为PDMS或Ecoflex。2.根据权利要求1所述的凝胶电刺激器，其特征是，所述的液态金属为镓、镓铟合金、镓锌合金、镓铟锡合金或铋锡合金中的一种或两种以上的组合。3.权利要求1或2所述凝胶电刺激器的制备方法，其特征是，包括以下步骤：(1)称取PDMS预聚物与固化剂，混合搅拌后静置，得到溶液A1；将溶液A1倒入培养皿中，放入真空干燥箱中，抽真空，然后放入烘箱中加热，得到固化的PDMS；或者，称取Ecoflex的A液与B液，混合搅拌后静置，得到溶液A2；将溶液A2倒入培养皿中，放入真空干燥箱中，抽真空，然后放入烘箱中加热，得到固化的Ecoflex；(2)以步骤(1)得到的PDMS或Ecoflex作为基底层，在其表面打印液态金属电极；(3)将二苯甲酮溶于乙醇中，得到溶液B；向打印有液态金属电极的基底层表面滴加溶液B，对其进行改性，然后用甲醇清洗3次，氮气吹扫干燥；(4)将丙烯酰胺、海藻酸钠、氯化钾、N,N
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亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵、四甲基乙二胺、和/或无水硫酸钙溶于水中，配置凝胶前驱体溶液，得到溶液C；(5)将溶液C滴加到改性的基底层表面，用PET板覆盖，在紫外光下进行光固化，得到凝胶层，完成封装，使液态金属电极被所述凝胶层包覆，得到凝胶电刺激器。4.根据权利要求3所述凝胶电刺激器的制备方法，其特征是，所述步骤(1)中制备PDMS时，PDMS预聚物与固化剂的质量比为9
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11:1，静置时间为5
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15min；抽真空时间为20
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40min，加热温度为50
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90℃，加热时间为2
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4h。5.根据权利要求3所述凝胶电刺激器的制备方法，其特征是，所述步骤(1)中制备Ecoflex时，Ecoflex的A液与B液的质量比为0.5
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1.5:1...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡靓，焦彩彩，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：