CN110115800A - 基于超声波供能的柔性药物释放微系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种基于超声波供能的柔性药物释放微系统，其包括柔性基底、超声换能部件和药物释放部件，所述超声换能部件能够接收超声信号并输出电信号，所述药物释放部件能够释放预定药物，所述药物释放部件与所述超声换能部件电连接以在所述电信号的作用下释放所述预定药物，所述药物释放部件和所述超声换能部件安装于所述柔性基底。该微系统利用了超声信号作为激励能源，使用安全性较高，并且，该微系统就像一张创可贴一样，可以完好的与人体组织相结合，极大减少了植入后的不良反应，可以被广泛应用于生物医学工程领域。

Description

基于超声波供能的柔性药物释放微系统

技术领域

本发明涉及生物医学工程领域，且特别涉及一种基于超声波供能的柔性药物释放微系统。

背景技术

目前，植入式电子设备已经得到了广泛应用，如脑起搏器、心脏起搏器、胃肠电刺激器、喉起搏器、植入式药物释放系统等。这些植入式电子设备将被埋藏在人体体内，通过电子学设计实现特定的医疗功能。

其中，植入式药物释放系统是用于特定疾病治疗的系统，由于其巨大的医疗价值，已经成为研究的热门领域。该系统是将药物装入缓释载体中，然后植入体内，利用载体在体内的缓慢降解达到对药物浓度的控释作用，使局部产生持久、稳定的药物浓度。

常见的药物释放系统常将磁场、电场、温度、光源、机械压力等作为外界刺激源。虽然电磁波作为无线刺激能源已经有着非常成熟的研究和应用，但是当用作长期刺激源时，电磁波长期作用于人体，这会导致致癌率提高，进而对人体健康造成较大危害。温度难以作为精准点刺激源。光源易受环境影响，且实现起来机理复杂。

此外，传统的植入式药物释放系统大都是硬质系统，由于硬度和人体组织不匹配，很容易给使用者来不适感，而且还可能会造成一些炎症反应。

发明内容

鉴于上述现有技术的状态而做出本发明。本发明的目的在于提供一种基于超声波供能的柔性药物释放微系统，该基于超声波供能的柔性药物释放微系统能够安全地应用于人体并且不会给使用者带来太多的不适感。

提供一种基于超声波供能的柔性药物释放微系统，其包括柔性基底、超声换能部件和药物释放部件，所述超声换能部件能够接收超声信号并输出电信号，所述药物释放部件能够释放预定药物，所述药物释放部件与所述超声换能部件电连接以在所述电信号的作用下释放所述预定药物，所述药物释放部件和所述超声换能部件安装于所述柔性基底。

在至少一个实施方式中，所述药物释放部件包括多个药物释放单元，所述多个药物释放单元离散地排布；所述超声换能部件包括多个超声换能器，所述多个超声换能器离散地排布。

在至少一个实施方式中，所述多个药物释放单元并联，和/或所述多个超声换能器串联。

在至少一个实施方式中，所述多个药物释放单元离散地排布成阵列，和/或所述多个超声换能器离散地排布成阵列。

在至少一个实施方式中，所述多个药物释放单元之间通过导线电连接，两个所述药物释放单元之间的导线的长度大于两个所述药物释放单元之间的直线距离；和/或

所述多个超声换能器之间通过导线电连接，两个所述超声换能器之间的导线的长度大于两个所述超声换能器之间的直线距离。

在至少一个实施方式中，两个所述药物释放单元之间的导线和/或两个所述超声换能器之间的导线呈蛇形或者波浪形。

在至少一个实施方式中，所述基于超声波供能的柔性药物释放微系统还包括电信号处理模块，所述电信号处理模块与所述超声换能部件和所述药物释放部件电连接，所述电信号处理模块能够接收所述超声换能部件输出的交流电信号并将所述交流电信号转换成直流电信号，所述药物释放部件能够接收所述直流电信号并启动从而释放所述预定药物。

在至少一个实施方式中，所述基于超声波供能的柔性药物释放微系统还包括柔性封盖，所述柔性封盖与所述柔性基底安装在一起并形成安装空间，所述药物释放部件和所述超声换能部件安装在所述安装空间内，所述柔性封盖具有药物释放口，所述药物释放部件具有药物释放通路，所述药物释放通路与所述药物释放口连通。

在至少一个实施方式中，所述药物释放部件包括药物载体和隔绝壳，所述药物载体用于装载所述预定药物，所述隔绝壳固定安装于所述柔性基底，所述隔绝壳和所述柔性基底形成容纳空间，所述药物载体位于所述容纳空间内，所述隔绝壳具有所述药物释放通路。

在至少一个实施方式中，所述柔性基底和所述柔性封盖由有机硅胶材料制成。

在至少一个实施方式中，所述基于超声波供能的柔性药物释放微系统还包括超声波发射器，所述超声换能部件能够从所述超声波发射器接收超声波，然后将超声信号转换为电信号并输出电信号。

上述技术方案至少能够获得以下技术效果：

利用了超声信号作为激励能源，与传统能源相比，超声信号具有其独特的优势，例如，具有很好的生物相容性，可以用于长期治疗，以及具有较高的穿透性等，而且，超声信号对人体无害，这保证了该微系统的使用安全性。

当将该微系统植入人体后，只要外界作用超声信号，体内的微系统就会开始工作，即释放治疗药物，当停止外界超声信号的作用后，体内的微系统就会停止工作，即停止释放药物。因此，在接收外界超声信号激励刺激后，该微系统会稳定释放药物从而达到特定疾病治疗的目的，该微系统可以用于长期疾病治疗，对于一些顽固疾病的治疗可起到很好的效果。

具有可拉伸的柔性基底，从而该微系统就像一张创可贴一样，可以完好的与人体组织相结合，极大减少了植入后的不良反应，可以被广泛应用于生物医学工程领域。

附图说明

图1为本公开提供的基于超声波供能的柔性药物释放微系统的立体结构示意图，示出柔性基底和柔性封盖分离。

图2为图1中的基于超声波供能的柔性药物释放微系统的侧视图，示出柔性基底和柔性封盖组装在一起。

图3为图1中的基于超声波供能的柔性药物释放微系统的正视图，示出药物释放部件、电信号处理模块和超声换能部件通过导线电连接。

图4为图3中的药物释放部件的一个药物释放单元的立体结构示意图。

图5为图3中的药物释放部件的多个药物释放单元的电连接线路的示意图。

图6a为图3中的超声换能部件的多个超声换能器的电连接线路的示意图。

图6b为另一实施方式中的超声换能部件的多个超声换能器的电连接线路的示意图。

附图标记说明：

1药物释放单元、2超声换能器、3电信号处理模块、4柔性基底、5柔性封盖、51药物释放口、6隔绝壳、7药物载体、8发热电阻丝、9导线、91上电极导线、92下电极导线。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不用于穷举本发明的所有可行的方式，也不用于限制本发明的范围。

本公开提供一种基于超声波供能的柔性药物释放微系统(以下简称微系统)，其包括柔性基底4、柔性封盖5、超声换能部件、电信号处理模块3和药物释放部件。药物释放部件、电信号处理模块3和超声换能部件安装于柔性基底4，柔性封盖5与柔性基底4安装在一起从而将药物释放部件、电信号处理模块3和超声换能部件封装(除了药物释放部件与外部组织接触以用于释放药物以外，在柔性基底4和柔性封盖5之间安装的其他部件均不与外部组织接触)在由柔性基底4和柔性封盖5形成的安装空间内。

下面分别详细介绍上述各个组成部分。

如图1所示，柔性基底4和柔性封盖5例如可以由有机硅胶等具有良好的拉伸性和生物相容性的材料制成，具体地，比如可以为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、共聚酯(Ecoflex)等。

柔性基底4和柔性封盖5的厚度可以很小，比如可以小于2mm，其主平面的尺寸可以小于腹部尺寸，并且，其弯曲刚度可以与人体皮肤的弯曲刚度相近，比如最小弯曲半径可以为2mm。

柔性基底4和柔性封盖5均可以采用柔性电子技术制备，整体具有超薄、柔性、可拉伸的特点，在植入人体后能够很好地与人体组织相贴合。

如图1和图3所示，超声换能部件可以包括多个，例如10个超声换能器2，多个超声换能器2离散地排布，这样，超声换能部件不仅能够具有足够的超声转换能力，而且不同的超声换能器2之间能够相对彼此灵活地位移，这有助于提高该微系统的柔性。

具体地，多个超声换能器2能够离散地排布成阵列，这种布线方式简单，而且能够在有限的空间内布置较多的超声换能器2。

如图6a所示，各超声换能器2之间可以通过导线9电连接，多个超声换能器2可以采用串联方式连接，从而超声换能部件具有最大的电压。超声换能部件引出两根导线9，两根导线9连接至电信号处理模块3。

超声换能器2可以采用锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)材料制成，可以形成为圆柱形，直径例如可以为6mm，轴向尺寸例如可以为1mm。

超声换能部件可以接收外部超声信号，例如，可以从超声波发射器接收超声波，然后将超声信号转换为电信号并输出电信号，例如输出交流电信号。

电信号处理模块3可以位于超声换能部件和药物释放部件之间，与超声换能部件和药物释放部件电连接。电信号处理模块3可以采用整流电桥设计，可以接收超声换能部件输出的交流电信号，将交流电信号转换为直流电信号并输出直流电信号。

如图1和图3所示，药物释放部件可以接收电信号处理模块3输出的直流电信号。药物释放部件可以包括多个，例如100个药物释放单元1，多个药物释放单元1离散地排布，这样，药物释放部件不仅能够承载足够的药物，而且不同的药物释放单元1之间能够相对彼此灵活地位移，这有助于提高该微系统的柔性。

具体地，多个药物释放单元1能够离散地排布成阵列，这种排布方式简单，而且能够在有限的空间内布置较多的药物释放单元1。

如图5所示，各药物释放单元1之间可以通过导线9电连接，多个药物释放单元1可以采用并联方式连接，从而药物释放部件具有最小的电阻。

如图3和图6a所示，每两个药物释放单元1之间的导线9呈蛇形，每两个超声换能器2之间的导线9呈蛇形，这样导线9不限制柔性基底4的变形，这也有助于提高该微系统的柔性。

每两个药物释放单元1之间的导线9和每两个超声换能器2之间的导线9可以埋在柔性基底4内部，当柔性基底4拉伸变形时，该导线同步地变形。

当然，在其他实施方式中，导线9也可以呈其他形状，比如波浪形等，只要导线9的长度大于两个药物释放单元之间的直线距离，或者导线9的长度大于两个超声换能器2之间的直线距离，即可以获得上述效果。

如图2和图4所示，药物释放单元1可以包括隔绝壳6、药物载体7和发热电阻丝8。隔绝壳6固定安装于柔性基底45，隔绝壳6和柔性基底4形成容纳空间，药物载体7和发热电阻丝8容纳于容纳空间。柔性封盖5具有药物释放口51，隔绝壳6具有药物释放通路，药物释放口51与药物释放通路(下文详述)连通，药物通过药物释放通路和药物释放口51释放到外部组织。

药物载体7装载药物，药物载体7可以为混合了特定浓度特定药物的热敏水凝胶，当药物载体7受热时，热敏水凝胶感受到温度升高从而变成液体并流出容纳空间，进而流入组织液并被组织吸收。

发热电阻丝8可以由镍铬合金或铁铬铝合金制成，具有发热量大、发热快的特点。发热电阻丝8与药物载体7导热地接触，比如发热电阻丝8位于药物载体7的中央，被药物载体7包裹。

药物释放单元1(发热电阻丝8)可以具有上电极和下电极，上电极位于药物释放单元1的朝向柔性封盖5的一侧，下电极位于药物释放单元1的朝向柔性基底4的一侧。多个药物释放单元1的上电极连通并通过上电极导线91与电信号处理模块3的正极电连接，多个药物释放单元1的下电极连通并通过下电极导线92与电信号处理模块3的负极电连接。

上电极导线91可以在柔性基底4的朝向柔性封盖5的主平面的表面上布线，下电极导线92可以在柔性基底4的内部布线。

隔绝壳6位于柔性基底4和柔性封盖5之间，可以与柔性封盖5固定安装。隔绝壳6可以为大致筒形。隔绝壳6在轴向上的一端被柔性基底4封堵，柔性封盖5的对应于隔绝壳6在轴向上的另一端的部分缺失从而形成药物释放口51。

具体地，隔绝壳6可以为锥筒形，柔性封盖5可以位于隔绝壳6的小口径侧并与隔绝壳6的小口径端接触，柔性基底4可以位于隔绝壳6的大口径侧并与隔绝壳6的大口径端接触。

隔绝壳6可以由有机硅胶等具有良好的拉伸性和生物相容性的材料制成，具体地，比如可以为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、共聚酯(Ecoflex)等，这种材料具有很好的延展性，有助于微系统获得较大的柔性。

柔性基底4为整个微系统提供支撑。柔性封盖5为整个微系统提供绝缘封装，并起到隔绝系统元件和外接组织的作用。

柔性基底4和柔性封盖5可以与隔绝壳6一体形成，比如，当在柔性基底4上安装(比如焊接)超声换能器2、电信号处理模块3之后，再利用模具在柔性基底4上浇铸成型隔绝壳6以及在隔绝壳6上浇铸成型柔性封盖5。

除药物释放部件以外的安装在柔性基底4与柔性封盖5之间的其他部件，比如超声换能部件、电信号处理模块3、电路、导线9等均不与外部组织接触。药物释放部件仅仅通过药物释放口51与外部组织接触。

各部件安装在柔性基底4上以后，在浇铸柔性封盖5的过程中，柔性封盖5的浇铸液进入各部件之间从而包裹各部件，比如包裹每个超声换能器2、每个药物释放单元1、电信号处理模块3等。从而，柔性封盖5不仅具有上述保护和封装的作用，还在药物释放单元1的轴向上占据很小的尺寸，从而该微系统整体呈扁平状，例如为薄片，其厚度方向的尺寸远远小于其平面尺寸。

该微系统的平面尺寸可以较小，比如具有5cm²至50cm²的面积，从而在植入人体时能够减小人体的不适感。

以上是对本公开提供的一个具体实施方式的介绍，在其他实施方式中，多个超声换能器2和多个药物释放单元1还可以离散地排布成其他样式。

如图6b所示，以超声换能器2为例，多个超声换能器2能够排布成大致圆形，从而整体更紧凑。

该微系统可以按照如下方式应用：

第一，通过手术将该微系统植入人体内，比如植入小臂内；

第二，患者打开携带的便携式超声发射器，例如手环，从而使超声发射器发射超声波；

第三，微系统接收超声波，药物释放部件释放药物，开始治疗程序；

第四，关闭超声发射器，微系统很快停止释放药物，治疗程序结束。

本公开提供的微系统具有以下特点：

利用了超声信号作为激励能源，与传统能源相比，超声信号，具有其独特的优势，例如，具有很好的生物相容性，可以用于长期治疗，以及具有较高的穿透性等，而且，超声信号对人体无害，这保证了该微系统的使用安全性。

当将该微系统植入人体后，只要外界作用超声信号，体内的微系统就会开始工作，即释放治疗药物，当停止外界超声信号的作用后，体内的微系统就会停止工作，即停止释放药物。因此，在接收外界超声信号刺激后，该微系统会稳定释放药物从而达到特定疾病治疗的目的，该微系统可以用于长期疾病治疗，对于一些顽固疾病的治疗可起达到很好的效果。

通过柔性电子技术可以获得柔性可拉伸的柔性基底4和柔性封盖5，从而该微系统就像一张创可贴一样，可以完好的与人体组织相结合，极大减少了植入后的不良反应，可以被广泛应用于生物医学工程领域。

应当理解，上述实施方式仅是示例性的，不用于限制本发明。本领域技术人员可以在本发明的教导下对上述实施方式做出各种变型和改变，而不脱离本发明的范围。

(1)、该微系统不限于接收波的形式的超声信号，还可以接收其他形式的超声信号，与其他形式的超声信号相比，超声波信号获取途径便捷，获取成本较低。

(2)、柔性基底4和柔性封盖5的材料可以相同也可以不同。

(3)、柔性基底4、柔性封盖5和隔绝壳6的材料还可以为有机硅胶以外的、具有良好的拉伸性和生物相容性的其他材料。

Claims (11)

1.一种基于超声波供能的柔性药物释放微系统，其特征在于，其包括柔性基底(4)、超声换能部件和药物释放部件，所述超声换能部件能够接收超声信号并输出电信号，所述药物释放部件能够释放预定药物，所述药物释放部件与所述超声换能部件电连接以在所述电信号的作用下释放所述预定药物，所述药物释放部件和所述超声换能部件安装于所述柔性基底(4)。

2.根据权利要求1所述的基于超声波供能的柔性药物释放微系统，其特征在于，所述药物释放部件包括多个药物释放单元(1)，所述多个药物释放单元(1)离散地排布；所述超声换能部件包括多个超声换能器(2)，所述多个超声换能器(2)离散地排布。

3.根据权利要求2所述的基于超声波供能的柔性药物释放微系统，其特征在于，所述多个药物释放单元(1)并联，和/或所述多个超声换能器(2)串联。

4.根据权利要求2所述的基于超声波供能的柔性药物释放微系统，其特征在于，所述多个药物释放单元(1)离散地排布成阵列，和/或所述多个超声换能器(2)离散地排布成阵列。

5.根据权利要求2所述的基于超声波供能的柔性药物释放微系统，其特征在于：

所述多个药物释放单元(1)之间通过导线(9)电连接，两个所述药物释放单元(1)之间的导线(9)的长度大于两个所述药物释放单元(1)之间的直线距离；和/或

所述多个超声换能器(2)之间通过导线(9)电连接，两个所述超声换能器(2)之间的导线(9)的长度大于两个所述超声换能器(2)之间的直线距离。

6.根据权利要求5所述的基于超声波供能的柔性药物释放微系统，其特征在于，两个所述药物释放单元(1)之间的导线(9)和/或两个所述超声换能器(2)之间的导线(9)呈蛇形或者波浪形。

7.根据权利要求1所述的基于超声波供能的柔性药物释放微系统，其特征在于，所述基于超声波供能的柔性药物释放微系统还包括电信号处理模块(3)，所述电信号处理模块(3)与所述超声换能部件和所述药物释放部件电连接，所述电信号处理模块(3)能够接收所述超声换能部件输出的交流电信号并将所述交流电信号转换成直流电信号，所述药物释放部件能够接收所述直流电信号并启动从而释放所述预定药物。

8.根据权利要求1所述的基于超声波供能的柔性药物释放微系统，其特征在于，所述基于超声波供能的柔性药物释放微系统还包括柔性封盖(5)，所述柔性封盖(5)与所述柔性基底(4)安装在一起并形成安装空间，所述药物释放部件和所述超声换能部件安装在所述安装空间内，所述柔性封盖(5)具有药物释放口(51)，所述药物释放部件具有药物释放通路，所述药物释放通路与所述药物释放口(51)连通。

9.根据权利要求8所述的基于超声波供能的柔性药物释放微系统，其特征在于，所述药物释放部件包括药物载体(7)和隔绝壳(6)，所述药物载体(7)用于装载所述预定药物，所述隔绝壳(6)固定安装于所述柔性基底(4)，所述隔绝壳(6)和所述柔性基底(4)形成容纳空间，所述药物载体(7)位于所述容纳空间内，所述隔绝壳(6)具有所述药物释放通路。

10.根据权利要求8所述的基于超声波供能的柔性药物释放微系统，其特征在于，所述柔性基底(4)和所述柔性封盖(5)由有机硅胶材料制成。

11.根据权利要求1所述的基于超声波供能的柔性药物释放微系统，其特征在于，所述基于超声波供能的柔性药物释放微系统还包括超声波发射器，所述超声换能部件能够从所述超声波发射器接收超声波，然后将超声信号转换为电信号并输出电信号。