CN108606775A - 分布式柔性生物电子器件及多层柔性通道的制备方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种分布式柔性生物电子器件及多层柔性通道的制备方法，利用多路复用技术通过柔性通道嵌入物理传感器、化学传感器、生物传感器、光电刺激及化学刺激系统等多种植入式器件，在实现多功能集成、多参数测量的同时提高数据传输效率，并实现不同生理位置同一参数或不同生理参数的同步或异步测量，最终将采集数据以无线通讯形式发送至接收端。本公开中多个柔性通道的分布式结构设计，便于将各个通道植入于不同器官、或相同器官的不同位置，便于采集不同生理位置的物理量、化学量等生理参数，有助于进一步了解人体代谢循环机理和神经调控机制，为人体生理健康状态的监控、疾病的预防和防治提供有力的科学依据。

Description

分布式柔性生物电子器件及多层柔性通道的制备方法

技术领域

本公开涉及一种分布式多功能植入式柔性生物电子器件的技术领域，尤其涉及一种柔性生物电子器件及多层柔性通道的制备方法。

背景技术

多路复用技术是指用同一传输媒质承载多路信号进行通信的技术，通过特定的调制规则，可将多路信号复合到同一传输线路上同时不致混淆，而信号在接收端通过与之相对应的解调规则可还原至原信号。多路复用技术充分利用传输介质的带宽，从而有效地提高数据链路的利用率，广泛应用于金融、铁路、邮电等领域。

柔性电子是将有机或无机材料电子器件集成在柔性塑料或金属薄膜上的新兴电子技术，具有可延展、可形变、高效、低成本制造工艺和可重构等特点，在信息，环保，医疗，生物等领域具有广泛的应用。基于柔性电子的植入式或半植入式柔性传感系统具有极好的环境适应性和生物相容性，广泛应用于生物体内复杂环境的生理生化参数的检测。

然而，目前的植入式柔性生物电子器件存在诸多缺点，首先当前植入式柔性生物电子器件多为单一参数的测量，无法满足复杂生理环境下的多通道监测；其次当前植入式多参数柔性生物电子器件均集成在一个传感器件上，并只能在单一位置测量，无法实现体内不同生理位置的同步或异步测量；最后当前植入式柔性生物电子器件的各个模块采用平面式分布，系统体积较大；这些问题都限制着植入式柔性生物电子器件的进一步发展，亟需技术人员进一步研究。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种分布式柔性生物电子器件及多层柔性通道的制备方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种柔性生物电子器件包括：柔性通道，柔性通道的个数为n，n个柔性通道与电路板分别连接，其中，n＞1；柔性通道用于植入生物体不同生理位置；柔性通道上还包括：激励源，嵌设在部分柔性通道上；用于产生与激励源相对应的刺激；和/或传感器，嵌设在部分柔性通道上，用于采集各项生理数据；电路板，用以驱动柔性通道上的激励源和/或传感器工作，并将柔性通道上的传感器检测到的信号进行处理并发送出去；管理终端，将电路板发出的数据解码以得到原始数据。

在本公开的一些实施例中，电路板上集成的部件包括：电源模块，为电路板及柔性通道上各个元件供电；多路复用器，通过调制规则将柔性通道上采集的各路信号复合到一个传输线路中，以实现多路信号的同步采集；无线通讯模块，对接收的数据进行数据整理处理，并将处理后的数据发出；微处理器，用以控制多路复用器、无线通讯模块、激励源和传感器工作，并进行数据抗扰处理；多路复用器采集的多路信号通过微处理器处理后，经由无线通讯模块处理后，再经由无线通讯模块发送至管理终端，管理终端将数据解码以得到原始数据。

在本公开的一些实施例中，电路板为柔性电路板。

在本公开的一些实施例中，柔性通道置于电路板同侧和/或两侧。

在本公开的一些实施例中，当柔性通道为单功能通道时，柔性通道和/或电路板为单层结构。

在本公开的一些实施例中，柔性通道为多层柔性电路，其包括基底层、电极层和绝缘层；激励源和/或传感器封装在基底层至绝缘层任两层间。

在本公开的一些实施例中，电路板为多层柔性电路，包括电源层、无线通信层、信号层和电极层。

在本公开的一些实施例中，柔性通道嵌设于电路板多层结构的任两侧间。

在本公开的一些实施例中，基底层材料为聚酰亚胺/聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚二甲基硅氧烷；绝缘层材料为聚酰亚胺/树脂油墨；电极层材料为由金/银/铜/构成的金属薄膜和/或石墨烯/碳纳米管/导电高分子构成的导电材料。

根据本公开的另一个方面，提供了一种多层柔性通道的制备方法，其包括：步骤A：通过中间介质将目标层从目标层生长的基底层上剥离；步骤B：根据步骤A提供的方法制备m个目标层，其中，m＞1；步骤C：将从基底层上剥离的目标层，转印到另一目标层上；步骤D：重复步骤C，将m个目标层粘合在一起，实现多层堆叠。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开分布式柔性生物电子器件及多层柔性通道的制备方法，至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)多个柔性通道的分布式结构设计，便于将各个通道植入于不同器官、或相同器官的不同位置，便于采集不同生理位置的物理量、化学量等生理参数。

(2)柔性通道上嵌设的激励源和传感器，能够实现监测不同光电刺激或化学刺激下生理参数的分布与变化。

(3)多层柔性通道的制备方法中多通道单独加工后再粘合的方法有利于降低加工成本，同时还利于提高加工精度。

(4)本公开提供的植入式柔性生物电子器件采用多层结构，有效缩小器件体积，便于植入在更多空间狭小的区域，利于更多复杂环境下的数据监测及采集。

(5)本公开提供的生物电子器件有助于进一步了解人体代谢循环机理和神经调控机制，为人体生理健康状态的监控、疾病的预防和防治提供有力的科学依据。

附图说明

图1为本公开实施例柔性生物电子器件的结构示意图。

图2为本公开实施例柔性生物电子器件的立体结构示意图。

图3为本公开实施例柔性生物电子器件的一种柔性通道的截面示意图。

图4为本公开第一实施例的提供的分布式多功能植入式柔性电化学传感器的结构示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

10-电路板；

20-柔性通道；

21-传感器；

22-激励源；

23-基底层；

24-绝缘层；

25-电极层。

具体实施方式

本公开提供了一种分布式柔性生物电子器件及多层柔性电子器件的制备方法。本公开利用多路复用技术通过柔性通道嵌入物理传感器、化学传感器、生物传感器、光电刺激及化学刺激系统等多种植入式器件，在实现多功能集成、多参数测量的同时提高数据传输效率，并实现不同生理位置同一参数或不同生理参数的同步或异步测量，最终将采集数据以无线通讯形式发送至接收端。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

本公开提供了一种柔性生物电子器件。图1为本公开实施例柔性生物电子器件的结构示意图。图2为本公开实施例柔性生物电子器件的立体结构示意图。如图1和图2所示，柔性生物电子器件包括：电路板10、柔性通道20和管理终端。电路板10，用以将多通道电极检测到的信号进行处理并发送出去。电路板10上集成的部件包括：电源模块、多路复用器、无线通讯模块和微处理器。电源模块为电路板10及柔性通道20上各个元件供电。多路复用器通过调制规则将柔性通道20上采集的各路信号复合到一个传输线路中，以实现多路信号的同步采集；这里具体的调制规则要根据具体情况进行特定选择，如时分复用、频分复用等特定的调制规则。无线通讯模块，对接收的数据进行数据整理处理，并将处理后的数据发出；这里数据整理处理可以具体包括：数据编码、压缩、打包等数据处理。微处理器，用以控制多路复用器、无线通讯模块、激励源22和传感器21工作，并进行数据抗扰处理；这里的数据抗扰处理主要可以为如数字滤波等数据抗扰处理。柔性通道20，柔性通道20的个数为n，n个柔性通道20与电路板10分别连接，其中，n＞1；柔性通道20用于植入生物体不同生理位置。柔性通道20上还包括：激励源22和传感器21；激励源22，嵌设在部分柔性通道20上；用于产生与激励源22相对应的刺激；传感器21，嵌设在部分柔性通道20上，用于采集各项生理数据。管理终端，将电路板10发出的数据解码以得到原始数据。上述多路复用器采集的多路信号通过微处理器处理后，经由无线通讯模块处理后，再经由无线通讯模块发送至管理终端，管理终端将数据解码以得到原始数据。

这里电路板10可以为柔性电路板10，更加便于应用于更过复杂环境下的数据采集与监测。柔性通道20可以为单层也可以为多层。当柔性通道20为单功能通道时，多选择柔性通道20和/或电路板10为单层结构。但当柔性通道20功能繁多时则应选择多层柔性通道20，以有效缩小器件体积，便于植入在更多空间狭小的区域，利于更多复杂环境下的数据监测及采集。图3为本公开实施例柔性生物电子器件的一种柔性通道20的截面示意图。如图3所示，柔性通道20包括基底层23、电极层25和绝缘层24；其中激励源22和/或传感器21可以封装在基底层23至绝缘层24任两层间；还可以置于电路板10同侧和/或两侧。电路板10为多层柔性通道20时，可以包括电源层、无线通信层、信号层和电极层25；柔性通道20可以根据实际设计需要嵌设于电路板10多层结构的任两侧间。

关于多层柔性通道20的材料选择，具体如下。基底层23材料可以为聚酰亚胺/聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚二甲基硅氧烷；绝缘层24材料可以为聚酰亚胺/树脂油墨；电极层25材料可以为由金/银/铜/构成的金属薄膜和/或石墨烯/碳纳米管/导电高分子构成的导电材料。

本公开还提供了一种多层柔性通道20的制备方法，其包括：步骤A：通过中间介质将目标层从目标层生长的基底层23上剥离；步骤B：根据步骤A提供的方法制备m个目标层，其中，m＞1；步骤C：将从基底层23上剥离的目标层，转印到另一目标层上；以及步骤D：重复步骤C，将m个目标层粘合在一起，实现多层堆叠。

以下分别对本实施例柔性生物电子器件及多层柔性通道20的制备方法可能涉及的部分组成部分进行详细描述。

本公开中涉及的传感器21可以为物理量传感器、化学量传感器、生物传感器等，需要根据具体设计要求进行选择，优选柔性传感器。以下具体说明：

物理量传感器，可测量温度、电生理、光强等参数，通过检测传感器随外界物理参数变化而产生的电学特性变化，如电压、电流等，实现对物理量的测量。

化学量传感器，可测量钾离子、钠离子、PH等参数，通过检测传感器对待测物的吸附作用而产生的电学信号，如电势高低等，实现对该待测物浓度的测量。

生物传感器，可测量多巴胺等神经递质、氨基酸等参数，通过电化学传感器工作电极的修饰材料与待测物反应产生的电学信号，如电流大小等，实现对生物量的测量。

激励源22，包括LED或其他发光材料等产生的光学刺激、微电极产生的电学刺激、修饰材料产生的化学刺激等。

多路复用技术包括时分多路复用、频分多路复用、波分多路复用、码分多址、空分多址等多路复用技术。

无线通讯包括Bluetooth、WiFi、ZigBee等无线通讯技术。

电源模块采用纽扣电池或者无线供电形式，为传感器21及其他元件供电。

本公开还提供了一种柔性生物电子器件的第一具体实施例，图4为本公开第一实施例的提供的分布式多功能植入式柔性电化学传感器的结构示意图。如图4所示本实施例是一种分布式多功能植入式柔性电化学传感器，用于实现对人体不同生理位置中氨基酸浓度的检测。

该柔性生物电子器件以柔性材料为基底，每个柔性通道20体积不超过35x3x0.2mm²，具备可弯折性、体积小、质量轻等特点，每个柔性通20道均包含三电极系统，通过外围电路对工作电极和参比电极施加电压，检测工作电极和对电极的电流来检测氨基酸，工作电极修饰氨基酸氧化酶作为催化剂，催化氨基酸氧化。氨基酸氧化产生氧化电流，电流幅值可直接反映氨基酸浓度，因此可通过检测传感器21工作电极和对电极间的响应电流大小计算氨基酸含量。将多个单通道传感器21植入于体内不同生理位置，即可实现多个生理区域氨基酸含量的实时同步监测。

该柔性通道20具有多层复合结构，包括基底层23、电极层25和绝缘层24。其中，基底层23采用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜；电极层25包含工作电极、对电极和参比电极，其中工作电极和对电极采用导电碳浆，参比电极采用导电银浆，电极层25采用丝网印刷工艺制备；绝缘层24采用高绝缘性的树脂油墨，采用丝网印刷工艺制备。

如图4所示，该系统电路部分采用纽扣电池供电，以CC2541为微控制器，LMP91000为恒电位仪，用以产生偏置电压并检测工作电极和对电极的电流，TS3A5017为多路复用器，基于陶瓷天线的蓝牙外围电路作为无线通讯电路。将多个柔性通道20连接至多路复用器，通过CC2541编程控制多路复用器的选通，将各路电流信号输送至LMP91000并转化为电压值，用CC2541采样得到与电流值成正比的电压幅值信号，最终通过蓝牙发送至接收端。接收端通过接收到的采样值大小即可计算出对应生理位置氨基酸含量。

至此，本公开第一实施例介绍完毕。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开柔性生物电子器件及多层柔性通道20的制备方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开利用多路复用技术通过柔性通道20嵌入物理传感器、化学传感器、生物传感器、光电刺激及化学刺激系统等多种植入式器件，在实现多功能集成、多参数测量的同时提高数据传输效率，并实现不同生理位置同一参数或不同生理参数的同步或异步测量，最终将采集数据以无线通讯形式发送至接收端。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分布式柔性生物电子器件，包括：

柔性通道，所述柔性通道的个数为n，所述n个柔性通道与电路板分别连接，其中，n＞1；所述柔性通道用于植入生物体不同生理位置；所述柔性通道上还包括：

激励源，嵌设在部分所述柔性通道上；用于产生与激励源相对应的刺激；和/或

传感器，嵌设在部分所述柔性通道上，用于采集各项生理数据；

电路板，用以驱动所述柔性通道上的激励源和/或传感器工作，并将所述柔性通道上的传感器检测到的信号进行处理并发送出去；以及

管理终端，将所述电路板发出的数据解码以得到原始数据。

2.根据权利要求1所述的分布式柔性生物电子器件，所述电路板上集成的部件包括：

电源模块，为所述电路板及所述柔性通道上各个元件供电；

多路复用器，通过调制规则将所述柔性通道上采集的各路信号复合到一个传输线路中，以实现多路信号的同步采集；

无线通讯模块，对接收的数据进行数据整理处理，并将处理后的数据发出；以及

微处理器，用以控制所述多路复用器、所述无线通讯模块、所述激励源和所述传感器工作，并进行数据抗扰处理；

所述多路复用器采集的多路信号通过所述微处理器处理后，经由所述无线通讯模块处理后，再经由所述无线通讯模块发送至所述管理终端，所述管理终端将数据解码以得到原始数据。

3.根据权利要求1所述的分布式柔性生物电子器件，所述电路板为柔性电路板。

4.根据权利要求1所述的分布式柔性生物电子器件，所述柔性通道置于所述电路板同侧和/或两侧。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的分布式柔性生物电子器件，当柔性通道为单功能通道时，所述柔性通道和/或电路板为单层结构。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的分布式柔性生物电子器件，所述柔性通道为多层柔性电路，其包括基底层、电极层和绝缘层；所述激励源和/或传感器封装在所述基底层至绝缘层任两层间。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的分布式柔性生物电子器件，所述电路板为多层柔性电路，包括电源层、无线通信层、信号层和电极层。

8.根据权利要求7所述的分布式柔性生物电子器件，所述柔性通道嵌设于所述电路板多层结构的任两侧间。

9.根据权利要求6所述的分布式柔性生物电子器件，所述基底层材料为聚酰亚胺/聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚二甲基硅氧烷；所述绝缘层材料为聚酰亚胺/树脂油墨；所述电极层材料为由金/银/铜/构成的金属薄膜和/或石墨烯/碳纳米管/导电高分子构成的导电材料。

10.一种多层柔性通道的制备方法，其包括：

步骤A：通过中间介质将目标层从所述目标层生长的基底层上剥离；

步骤B：根据步骤A提供的方法制备m个目标层，其中，m＞1；

步骤C：将从所述基底层上剥离的目标层，转印到另一目标层上；以及

步骤D：重复步骤C，将m个目标层粘合在一起，实现多层堆叠。