CN113100710A - 一种可植入、可降解的位移传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器领域，具体来说，涉及一种可植入、可降解的位移传感器及其制备方法。本发明使用蛋白掺杂壳聚糖薄膜作为基底和封装，该薄膜具有优良的柔性、透光率和拉伸性能，可在体内和各种组织紧密贴合。该传感器设计简单，便于制造，使用叉指型的金属电极，利用人体与电极之间产生的感应电容来检测位移。本发明使用材料均为对生物友好的可降解材料，所制作的传感器在使用完成之后可在体内自行降解，无需二次手术取出，避免造成二次伤害。

Description

一种可植入、可降解的位移传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于传感器领域，具体来说，涉及一种可植入、可降解的位移传感器及其制备方法。

背景技术

目前生物体内医疗植入设备的使用对于人体带来巨大好处，这些植入设备可以用来监测人体内一些参数，用于表明病情变化和指导疾病治疗。其中一些设备例如人工心脏、人工耳蜗等等，这些器件对于使用时长的要求是越长越好，然而一些器件不需要在人体内一直存在，比如检测体内参数、持续释放药物等器件，通常这些器件在使用完成之后需要二次手术取出，但是二次手术会增加感染的风险、对患者造成二次伤害以及增加医疗费用。可生物降解器件的出现解决了这个问题，在满足使用要求之后可生物降解器件可以在体内完全降解、无需二次手术取出。

目前医疗植入设备在传感器、储能器、存储器等方面均有报道。体内医疗植入设备中传感器是一个很重要的用处，已经提出的有用于大脑的传感器，可以检测压力和温度、可以检测血流的动脉脉搏传感器，可以检测化学物质的化学传感器。然而目前没有关于生物可降解位移传感器的报道，位移传感器在监测可植入患者腹部的网片所承受的应变、心率测量、激光手术用微镜的定位和可植入给药系统的剂量控制等方面均有应用。

电容式位移传感器主要有变面积型、变极距型和变介质型位移传感器，对于常用的平行极板式电容，其中变面积型和变极距型均通过改变动极板的位置分别改变有效面积S或极板相对距离d进而改变传感器的电容值，变介质型传感器工作时需要极板中间的介质能够移动来改变介电常数ε进而改变电容值。如一种差动式变极距垂直电极型电容传感器(CN107036636A)和多环并联式电容位移传感器(CN102840822A)均需要改变动极板和定级板之间的相对位置进而改变相对距离d或有效面积S，然后改变电容量测得位移。由此可见该三种传统位移传感器均需要电容自身能够发生形变才可以工作，而为了电容能够形变就会使传感器的结构设计更为复杂，制造难度增大。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种可植入、可降解的位移传感器及其制备方法，该位移传感器原理简单、易于制造并且具有高强度的机械性能，能够实现监测位移。同时使用材料均为对生物友好材料，可以在人体内完成降解，无需二次手术取出。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种可植入、可降解的位移传感器，从下至上依次设有基底层、导电电极和封装层。

所述基底层和封装层的材质为蛋白掺杂壳聚糖薄膜，厚度为10-700um。

所述导电电极的材质为锌、镁、铁、钨、钼等可生物降解金属中的一种或两种以上混合，所述导电电极厚度为40-120nm。

所述导电电极为叉指型电极，其中叉指电极对的对数为3-30对、叉指宽度为50-300um、相邻叉指之间的间隙距离为50-200um。

一种可植入、可降解的位移传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、将壳聚糖加弱酸溶于去离子水中，获得壳聚糖溶液；

所述壳聚糖的脱乙酰度为55％-100％；所述弱酸为乙酸、盐酸或甲酸中的一种或两种以上混合，优选为乙酸；所述壳聚糖溶液浓度为1-100mg/ml，优选为30mg/ml。

步骤2、向步骤1制备得到的壳聚糖溶液中加入昆虫表皮蛋白，搅拌，静置脱气，获得混合溶液；

所述昆虫表皮蛋白与壳聚糖溶液的质量浓度比为0.1％～5％，优选为1％；

所述搅拌速度为500-5000rpm，搅拌时间为10-60min。

步骤3、将步骤2制备得到的混合溶液倒入培养皿中，加热蒸发得到薄膜基底作为基底层或封装层；

所述加热温度为20-40℃，加热时间为24-72h。

步骤4、在步骤3制备得到的基底层上制备金属电极，得到导电电极；

所述金属选用锌、镁、铁、钨、钼等可生物降解金属中的一种或两种以上混合，优选为锌金属。

所述金属制备方法为蒸发镀膜或磁控溅射等不影响基底材料的制备方法，优选磁控溅射。

步骤5、在步骤4得到的导电电极之上加一层步骤3制备得到的封装层，即可得到可植入、可降解的位移传感器。

制备所述封装层的方法为热压或粘连。

本发明的有益效果：

(1)本发明使用昆虫表皮蛋白掺杂的壳聚糖制作成薄膜，其表现为高柔性、高透明度以及无毒无害，可以溶解在去离子水中，溶解的产物同样对人体无害。使用可生物降解金属作为电极，可以溶解在去离子水中，产物无害并且可随代谢排出。根据两种材料的特性将其制作成可生物降解的器件，此器件可以在人体内工作，工作完成之后无需二次手术取出即可自行溶解，可以杜绝再次手术感染的可能性，同时减轻患者身体负担以及费用负担。

(2)本发明利用电容感应原理制作电容式位移传感器，传感器可随人体组织与传感器的相对位移而改变电容值，通过检测电容值的变化即可得出位移的大小。导电电极中的金属通过磁控溅射制作，十分简易、方便。传感器为柔性器件，可以与人体紧密贴合，并且在不同弯曲程度下测量的结果均符合预期。

(3)本发明的传感器本身即为一个完整的整体，测量过程中传感器本身不需要发生形变，只需要通过改变传感器和人体之间的位移就可以测量，因此制造简单、结构更加稳定。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的导电电极示意图。

图3是位移传感器的输出电容值随位移的变化曲线。

图4是蛋白掺杂壳聚糖薄膜的透射率曲线。

图5是蛋白掺杂壳聚糖薄膜的拉伸曲线。

图中：1封装层，2导电电极，3基底层。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，一种可植入、可降解的位移传感器，包括多层结构，从下往上依次为基底层3、导电电极2和封装层1。

导电电极2为叉指型电极，如图2所示的导电电极的尺寸如下叉指电极对的对数为8对、叉指宽度为100um、相邻叉指之间的间隙距离为100um。导电电极2主要由两部分组成：一部分是中间的平行金属条，由多条水平方向平行等距排列的金属条构成，该平行金属条是传感器主要产生电容值以及检测位移所导致的电容变化量的部分，其中对数越多、叉指宽度越大有效面积就越大，所产生的电容值就会越大，可以减小误差并且使测量更加方便；另一部分是两侧的金属线以及上方连接的大面积方形电极，该部分的作用是连接上述平行金属条，并将其产生的电容整合引出便于测量。

本发明的电容式位移传感器的工作原理：导电电极自身构成一个电容器，其中电极本身固有寄生电容，当人体组织靠近电容器时，人体作为接地导体会和所述电极之间形成新的感应电容，该位移传感器的输出电容大小为寄生电容和感应电容之和，而寄生电容值是固定的，因此通过测量传感器的输出电容值大小就可以监测位移大小。

具体过程为：当人体靠近位移传感器时，导电电极和人体表面之间可以看作一个平行极板电容，该电容的输出为上述的感应电容，有效面积S为人体表面和电极相对应的面积、极板间距d为人体表面和电极之间的距离、介电常数ε为人体表面和电极之间物质的介电常数。在测量过程该电容的有效面积s和介电常数ε均不变，只有极板间距d会变化，因此该感应电容的大小与极板间距d成反比例函数。由上述可知，感应电容的大小为电容式位移传感器的输出值减去固有的寄生电容值，而该感应电容只和人体与金属电极之间的相对距离有关，因此测得电容式位移传感器输出大小就可以计算得到位移。

实施例：

本发明的一种可植入、可降解的位移传感器的制备方法，具体如下：

步骤1、将脱乙酰度为95％的壳聚糖加适量乙酸溶于去离子水中，获得浓度为30mg/ml的壳聚糖溶液，使用移液枪选取5ml壳聚糖溶液放置在玻璃瓶中；

步骤2、向上述壳聚糖溶液中加入质量比为1％的昆虫表皮蛋白，使用磁力搅拌器3000rpm搅拌30min，静置脱气12h，获得混合溶液；

步骤3、将上述混合溶液倒入培养皿中，在30℃下加热蒸发48h得到厚度为30um的薄膜基底；

步骤4、使用磁控溅射在上述薄膜基底上制备60nm厚的锌金属，得到导电电极，叉指宽度为100um、相邻叉指之间的间隙距离为100um；

步骤5、在上述导电电极之上再加一层厚度为30um的蛋白掺杂壳聚糖薄膜作为封装层，即可得到可植入、可降解的位移传感器。

对制备的可植入、可降解的位移传感器做如下测试：

1、体外位移测试：使用手指代表人体组织，使用探针台连接位移传感器的导电电极，通过改变手指和传感器之间的距离表示位移，记录整个过程中的电容值。

体外位移测试结果如图3所示，结果表明电容传感器的输出电容变化量和位移有着良好的反比例函数关系。

2、薄膜基底透光率测试：将步骤3制备的薄膜基底放置在光谱仪的积分球上，由标准光源发射波长范围为400–1000nm的光源，积分球收集透过材料之后的光，与发射光通量对比得到透光率。

薄膜基底透光率测试结果如图4所示，在波长400–1000nm的范围内薄膜基底的透射率均在90％以上，在波长为400-780nm的可见光范围内平均透射率为94％，说明所制备的薄膜基底透光率良好。

3、薄膜基底拉伸实验：将步骤3制备的薄膜基底剪裁成长条形，记录其长、宽和厚度，然后使用电子万能试验机的夹具将其夹紧，反向拉伸直至拉断，测量这个过程中薄膜基底的应变和应力曲线。

薄膜基底拉伸实验测试结果如图5所示，可得薄膜基底的延伸率为10.6％，极限拉伸强度为106.7MPa，表明薄膜基底的柔韧性良好，由其制备而成的可植入、可降解的位移传感器可以紧密贴附在各种组织表面上。

应用1：

按照本发明实施例制备而成的可植入、可降解的位移传感器，可以作为植入式心脏跳动监测系统的一部分。使用时将上述位移传感器的导电电极和外部检测设备的线路连接，然后将位移传感器贴附在心脏表面，用于监测心脏跳动信号。监测过程为：当心脏跳动时，贴附在心脏表面的位移传感器同样会随之发生位移，导致传感器和心脏周围组织之间的相对距离发生变化，这个变化会使传感器的电容输出值变化，通过测量该输出值变化就可以得到心脏表面和周围组织之间的位移变化，从而实现监测心脏跳动信号。当监测任务完成之后无需二次手术取出，该传感器可以在体内自行降解，生成的产物均对人体无害，并可随代谢排出。

应用2：

按照本发明实施例:制备而成的可植入、可降解的位移传感器，可以作为植入式药物释放系统的一部分。使用时将上述位移传感器的导电电极和外部检测设备的线路连接，然后将位移传感器贴附在植入式药物释放系统的执行机构上，用于监测药物释放时执行机构的进给量。监测过程为：当植入式药物释放装置在释放药物时，执行机构如活塞会发生移动，然后带动贴附在表面的位移传感器，使该位移传感器和周围的组织发生相对位移，通过测量位移传感器输出电容值的变化量就可以得到执行机构的进给距离，进而实现药物释放进给量监测。当监测任务完成之后无需二次手术取出，该传感器可以在体内自行降解，生成的产物均对人体无害，并可随代谢排出。

Claims (4)

1.一种可植入、可降解的位移传感器，其特征在于，所述的位移传感器从下至上依次设有基底层、导电电极和封装层；

所述基底层和封装层的材质为蛋白掺杂壳聚糖薄膜；

所述导电电极的材质为可生物降解金属；

所述导电电极为叉指型电极。

2.根据权利要求1所述的一种可植入、可降解的位移传感器，其特征在于，

所述基底层和封装层的厚度为10-700um；

所述导电电极的材质为锌、镁、铁、钨、钼中的一种或两种以上混合，所述导电电极厚度为40-120nm；

所述导电电极，叉指电极对的对数为3-30对、叉指宽度为50-300um、相邻叉指之间的间隙距离为50-200um。

3.权利要求1所述的一种可植入、可降解的位移传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将壳聚糖加弱酸溶于去离子水中，获得壳聚糖溶液；

所述壳聚糖的脱乙酰度为55％-100％；所述弱酸为乙酸、盐酸或甲酸中的一种或两种以上混合；所述壳聚糖溶液浓度为1-100mg/ml；

步骤2、向步骤1制备得到的壳聚糖溶液中加入昆虫表皮蛋白，搅拌，静置脱气，获得混合溶液；

所述昆虫表皮蛋白与壳聚糖溶液的质量浓度比为0.1％～5％；

所述搅拌速度为500-5000rpm，搅拌时间为10-60min；

步骤3、将步骤2制备得到的混合溶液倒入培养皿中，加热蒸发得到薄膜基底作为基底层或封装层；

所述加热温度为20-40℃，加热时间为24-72h；

步骤4、在步骤3制备得到的基底层上制备金属电极，得到导电电极；

所述金属选用锌、镁、铁、钨、钼中的一种或两种以上混合；

所述金属制备方法为蒸发镀膜或磁控溅射方法；

步骤5、在步骤4得到的导电电极之上加一层步骤3制备得到的封装层，即可得到可植入、可降解的位移传感器；

制备所述封装层的方法为热压或粘连。

4.根据权利要求3所述的一种可植入、可降解的位移传感器的制备方法，其特征在于：

所述弱酸为乙酸；所述壳聚糖溶液浓度为30mg/ml；

所述昆虫表皮蛋白与壳聚糖溶液的质量浓度比为1％；

所述金属为锌金属；

所述金属制备方法为磁控溅射。

Images