WO2019014926A1 - 一种具有封装层的医学植入器件以及一种医学植入器件的封装方法 - Google Patents

一种具有封装层的医学植入器件以及一种医学植入器件的封装方法 Download PDF

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Abstract

一种具有封装层的医学植入器件，包括器件本体，以及用于封装器件本体的封装层，封装层包括层叠设置的至少一层有机薄膜层和至少一层无机薄膜层，封装层的最里层为有机薄膜层或无机薄膜层，封装层的最外层为有机薄膜层或无机薄膜层，有机薄膜层为派瑞林薄膜或聚酰亚胺树脂薄膜，无机薄膜层为具有生物相容性的无机薄膜。该器件的封装层具有良好的生物兼容性能，能很好地隔离人体内体液的水氧气环境，提高器件寿命，可有效解决传统医学植入器件封装的问题。还提供了一种医学植入器件的封装方法。

Description

一种具有封装层的医学植入器件以及一种医学植入器件的封装方法 技术领域
本发明涉及医学植入器件封装技术领域，特别是涉及一种具有封装层的医学植入器件以及一种医学植入器件的封装方法。
背景技术
随着医疗技术的发展，医疗器械小型化、智能化趋势非常明显，具有信息传感、处理等功能的医学植入器件如心脏起搏器、人工耳蜗、深脑刺激器等产品纷纷面世，为各类常规医学难以解决的疾病提供了全新的解决方案。然而，这些医学植入器件对体液中的水汽和氧气特别敏感，因此需要对其进行良好封装以保证器件的性能和使用寿命。
目前市场上比较成熟的硬质封装方式(采用塑料、金属、陶瓷或硅基底直接封装的方式)，无法保证电子器件长期处于无水环境，需要具有力学支撑性能、生物兼容性能的密闭腔体，从而使得植入式封装成本极为昂贵，约占医学植入器件成本的30％以上，而且随着社会的迅速发展以及人类对未来技术的要求，植入式封装衬底通道数的需要会越来越多，越来越密集，传统硬质封装工艺和方法很难在小体积的植入要求下进行高密度电子器件的封装，因此很大程度的限制了植入体器件的功能实现。
柔性封装方式以高分子封装和薄膜封装为主，由于质轻，高强度，耐高温，体积小等优势被广泛应用在发光二极管液晶显示屏(LED)封装等领域。为了有效降低医学植入器件封装成本，满足小体积、高密度封装要求，提高器件植入寿命，有必要为医学植入器件提供一种可行的柔性封装方案。
发明内容
鉴于此，本发明提供了一种具有封装层的医学植入器件以及一种医学植入器件的封装方法，通过层叠设置有机和无机薄膜形成封装层，该封装层具有良好的生物兼容性能，在体内复杂环境下水氧分子的渗透路线将沿着有机/无机薄膜的界面层，因此大大延长了体内水氧分子的渗透路径，可很好地隔离体内的水氧气环境，大大提高了植入器件的使用寿命，有效解决传统医学植入器件封装的植入寿命问题。
具体地，第一方面，本发明提供了一种具有封装层的医学植入器件，包括器件本体，以及用于封装所述器件本体的封装层，所述封装层包括层叠设置的至少一层有机薄膜层和至少一层无机薄膜层，所述封装层的最里层为有机薄膜层或无机薄膜层，所述封装层的最外层为有机薄膜层或无机薄膜层，所述有机薄膜层为具有生物相容性的派瑞林薄膜或聚酰亚胺树脂薄膜，所述无机薄膜层为具有生物相容性的无机薄膜。
本发明的医学植入器件通过采用具有生物兼容性能的有机薄膜和无机薄膜作为封装材料形成封装层，该封装层一方面具有很好的生物兼容性能，可使器件达到多年植入年限要求，另一方面可以很好地隔离人体内体液的水、氧气环境，保护植入器件的正常运作。此外，这种薄膜封装的方式能够很好的减少植入体的体积，能够适用于高密度电子器件(例如1000通道芯片传感器)的封装，很大程度地满足植入产品功能和性能的要求，解决产品灵活性的要求。
其中，所述具有生物相容性的无机薄膜包括Al2O3薄膜，SiO2薄膜，SiC薄膜，TiO2薄膜或SiN薄膜。上述无机薄膜不仅具有良好生物相容性，同时具有良好的隔离水、氧的能力，通过与有机薄膜层层叠设置形成多层致密结构，能 够很大程度上延长水、氧渗透路径，有效保护器件主体。
所述有机薄膜层的厚度为0.5-60μm，进一步地，有机薄膜层的厚度可为1-25μm，5-20μm，或30-55μm；所述无机薄膜层的厚度为20-100nm，进一步地，所述无机薄膜层的厚度可为30-90nm，50-70nm，或60-80nm；适合的厚度设置不但能保证各层之间具有良好的结合，同时可以获得较佳的隔离水、氧的能力。
所述有机薄膜层的具有生物相容性的派瑞林薄膜可以是N型、C型、D型或HT型等结构的派瑞林。
本发明中，所述有机薄膜层与所述无机薄膜层交替层叠设置。
本发明中，有机薄膜层与无机薄膜层的设置层数可根据植入器件的植入年限要求设计，植入年限要求时间长的，相应增加有机薄膜层与无机薄膜层的设置层数，总的来说，两者的总层数大于等于2层即可，具体地，例如可以是有机薄膜层与无机薄膜层各设置2-10层。其中，当有机薄膜层与无机薄膜层的设置层数各大于1层时，可以按第一有机薄膜层、第二有机薄膜层……和第一无机薄膜层、第二无机薄膜层……依次编号。各有机薄膜层的材质可以相同，也可以不相同。各无机薄膜层的材质可以相同，也可以不相同。
为了进一步提高封装层的封装效果，所述封装层进一步包括一层或多层有机缓冲层，所述有机缓冲层为具有生物相容性的聚四氟乙烯薄膜或聚四氟乙烯结构氟碳聚合物薄膜。聚四氟乙烯薄膜和聚四氟乙烯结构氟碳聚合物薄膜材料是纯惰性的，具有非常强的生物适应性，不会引起机体的排斥，对人体无生理副作用，且具有多微孔结构，能够在封装层中起到很好的缓冲作用，同时进一步增强有机薄膜层与无机薄膜层之间的结合力。
所述有机缓冲层设置于任意的所述有机薄膜层或所述无机薄膜层之上。即所述有机缓冲层可夹设于任意相邻的两层所述有机薄膜层之间、或夹设于任意 相邻的两层所述无机薄膜层之间，或夹设于任意相邻的所述有机薄膜层和无机薄膜层之间，或设置于所述封装层的最外层。
所述有机缓冲层的厚度为0.5-60μm。进一步地，有机缓冲层的厚度可为1-25μm，5-20μm，或30-55μm。所述有机缓冲层的设置层数也可根据植入器件的植入年限要求设计，植入年限要求时间长的，相应增加层数，具体地，例如可以是1-10层。其中，当有机缓冲层设置层数大于1层时，可以按第一有机缓冲层、第二有机缓冲层……依次编号。各有机缓冲层的材质可以是相同，也可以不相同。
本发明中，所述器件本体包括神经电极、无线传输线圈、集成电路芯片、PCB板、传感器、生物芯片板、心脏起搏器、人造视网膜、人工耳蜗、除颤器和刺激器中的一种或多种。其中刺激器包括迷走神经刺激器、脊髓刺激器、颈动脉窦电刺激器、膀胱刺激器、肠胃刺激器和深脑刺激器等。本发明的封装层可以是设置于一整体器件外部，也可以是设置在整体器件中的某一部件外部，具体可根据实际需要设置。
本发明第一方面提供的具有封装层的医学植入器件，其封装层具有很好的生物兼容性能，同时可以很好地隔离水汽和氧气，从而可保护植入器件的正常运作，提高器件使用寿命，使器件达到多年植入年限要求，该封装层还可满足高密度植入电子器件的封装要求。
第二方面，本发明提供了一种医学植入器件的封装方法，包括以下步骤：
提供器件本体，在所述器件本体表面层叠制备至少一层有机薄膜层和至少一层无机薄膜层，得到封装层，所述有机薄膜层为具有生物相容性的派瑞林薄膜或聚酰亚胺树脂薄膜；所述无机薄膜层为具有生物相容性的无机薄膜；所述封装层的最里层为有机薄膜层或无机薄膜层，所述封装层的最外层为有机薄膜 层或无机薄膜层。
本发明封装方法，所述器件本体包括神经电极、无线传输线圈、集成电路芯片、PCB板、传感器、生物芯片板、心脏起搏器、人造视网膜、人工耳蜗、除颤器和刺激器中的一种或多种。其中刺激器包括迷走神经刺激器、脊髓刺激器、颈动脉窦电刺激器、膀胱刺激器、肠胃刺激器和深脑刺激器等。
所述有机薄膜层的具有生物相容性的派瑞林薄膜可以是N型、C型、D型或HT型等结构的派瑞林。所述有机薄膜层的厚度为0.5-60μm，进一步地，有机薄膜层的厚度可为1-25μm，5-20μm，或30-55μm。所述有机薄膜层可以采用化学气相沉积(CVD)、旋涂或提拉的方法制备得到，制备的薄膜在任何形状和曲面上都能够提供非常平滑、连续和无缺陷的薄膜，这也提供了异质复合薄膜的封装可能性，从而显著减少封装体积。
本发明封装方法，所述具有生物相容性的无机薄膜包括Al2O3薄膜，SiO2薄膜，SiC薄膜，TiO2薄膜或SiN薄膜。所述无机薄膜层的厚度为20-100nm，进一步地，所述无机薄膜层的厚度可为30-90nm，50-70nm，或60-80nm。所述无机薄膜层可采用原子层沉积(ALD)或者磁控溅射的方式制备得到，制备的薄膜在任何形状和曲面上都能够提供非常平滑、连续和无缺陷的薄膜，这也提供了异质复合薄膜的封装可能性，从而显著减少封装体积。
本发明封装方法，可以将有机薄膜层和无机薄膜层交替层叠设置多层，具体可根据植入器件的植入年限要求设计，植入年限要求时间长的，有机薄膜层与无机薄膜层的设置层数和每层薄膜厚度相应增加，总的来说，有机薄膜层与无机薄膜层两者的总层数大于等于2层即可，具体地，例如可以是有机薄膜层与无机薄膜层各设置2-10层。
本发明中，所述的封装方法进一步包括在所述有机薄膜层或无机薄膜层表 面制备有机缓冲层，所述有机缓冲层为聚四氟乙烯薄膜或聚四氟乙烯结构氟碳聚合物薄膜。所述有机缓冲层可夹设于任意相邻的两层所述有机薄膜层之间、或夹设于任意相邻的两层所述无机薄膜层之间，或夹设于任意相邻的所述有机薄膜层和无机薄膜层之间，或设置于所述封装层的最外层。所述有机缓冲层可采用拉伸或者喷涂的方式制备得到。
所述有机缓冲层的厚度为0.5-60μm。进一步地，有机缓冲层的厚度可为1-25μm，5-20μm，或30-55μm。所述有机缓冲层的设置层数也可根据植入器件的植入年限要求设计，植入年限要求时间长的，相应增加层数和每层薄膜的厚度，具体地，例如可以是1-10层。
本发明所述的封装方法中，每次制备所述无机薄膜层之前，先对所述有机薄膜层或所述有机缓冲层进行退火处理，所述退火处理的温度为100-200℃，时间为5-120分钟。经退火处理后，可以有效增强无机薄膜层与有机薄膜层或有机缓冲层表面之间的结合力，避免界面之前的分层问题，从而获得致密的有机与无机相结合的薄膜层。
本发明第二方面提供的医学植入器件的封装方法，应用于有源植入医疗设备领域，能够有效改进现有有源植入的封装问题，该封装方法不但能够大大降低花费，而且能够满足高密度植入电子器件的封装。
本发明的优点将会在下面的说明书中部分阐明，一部分根据说明书是显而易见的，或者可以通过本发明实施例的实施而获知。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的具有封装层的医学植入器件的结构示意图；
图2为本发明实施例2制备的具有封装层的医学植入器件的结构示意图；
图3为本发明实施例3制备的具有封装层的医学植入器件的结构示意图；
图4为本发明实施例4制备的具有封装层的医学植入器件的结构示意图；
图5为本发明实施例5制备的具有封装层的医学植入器件的结构示意图；
图6为本发明实施例6制备的具有封装层的医学植入器件的结构示意图。
具体实施方式
以下所述是本发明实施例的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明实施例原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明实施例的保护范围。
实施例1
一种医学植入器件的封装方法，包括以下步骤：
(1)提供植入器件本体，采用化学气相沉积的方式在所述器件表面制备厚度为60μm的有机薄膜层，所述有机薄膜层为派瑞林薄膜；然后于150℃进行退火处理2小时；
(2)然后采用原子层沉积的方式在所述有机薄膜层上制备厚度为100nm的无机薄膜层，得到封装层，所述无机薄膜层为Al2O3薄膜，如图1所示，为本实施例制备得到的具有封装层的医学植入器件，所述封装层为两层结构，包括依次设置在所述植入器件表面的有机薄膜层和无机薄膜层。
实施例2
一种医学植入器件的封装方法，包括以下步骤：
(1)提供植入器件本体，采用旋涂的方式在所述器件表面制备厚度为20μm的有机薄膜层，所述有机薄膜层为聚酰亚胺树脂薄膜；
(2)采用喷涂的方式在所述有机薄膜层表面制备厚度为30μm的有机缓冲 层，然后于150℃进行退火处理1小时；有机缓冲层为聚四氟乙烯结构氟碳聚合物薄膜；
(3)退火结束后，采用原子层沉积的方式在所述有机缓冲层上制备厚度为80nm的无机薄膜层，得到封装层，所述无机薄膜层为Al2O3薄膜，如图2所示，为本实施例制备得到的具有封装层的医学植入器件，所述封装层为三层结构，包括依次设置在所述植入器件表面的有机薄膜层、有机缓冲层和无机薄膜层。
实施例3
一种医学植入器件的封装方法，包括以下步骤：
(1)提供植入器件本体，采用化学气相沉积的方式在所述器件表面制备厚度为30μm的有机薄膜层，然后于180℃进行退火处理30分钟；所述有机薄膜层为派瑞林薄膜；
(2)退火结束后，采用原子层沉积的方式在所述有机薄膜层上制备厚度为70nm的无机薄膜层，得到封装层，所述无机薄膜层为SiO2薄膜；
(3)采用喷涂的方式在所述无机薄膜层表面制备厚度为25μm的有机缓冲层；有机缓冲层为聚四氟乙烯结构氟碳聚合物薄膜；如图3所示，为本实施例制备得到的具有封装层的医学植入器件，所述封装层为三层结构，包括依次设置在所述植入器件表面的有机薄膜层、无机薄膜层和有机缓冲层。
实施例4
一种医学植入器件的封装方法，包括以下步骤：
(1)提供植入器件本体，采用提拉的方式在所述器件表面制备厚度为10μm的第一有机薄膜层，所述第一有机薄膜层为聚酰亚胺树脂薄膜；
(2)采用喷涂的方式在所述有机薄膜层表面制备厚度为20μm的第一有机缓冲层，然后于150℃进行退火处理1.5小时；第一有机缓冲层为聚四氟乙烯结 构氟碳聚合物薄膜；
(3)退火结束后，采用原子层沉积的方式在所述第一有机缓冲层上制备厚度为80nm的无机薄膜层，所述无机薄膜层为SiC薄膜；
(4)再采用喷涂的方式在所述无机薄膜层表面制备厚度为10μm的第二有机缓冲层，第二有机缓冲层为聚四氟乙烯结构氟碳聚合物薄膜；
(5)再采用化学气相沉积的方式在所述第二有机缓冲层制备厚度为15μm的第二有机薄膜层，得到封装层，所述第二有机薄膜层为派瑞林薄膜；如图4所示，为本实施例制备得到的具有封装层的医学植入器件，所述封装层为五层结构，包括依次设置在所述植入器件表面的第一有机薄膜层、第一有机缓冲层、无机薄膜层、第二有机缓冲层和第二有机薄膜层。
实施例5
一种医学植入器件的封装方法，包括以下步骤：
(1)提供植入器件本体，采用化学气相沉积的方式在所述器件表面制备厚度为20μm的第一有机薄膜层，然后于150℃进行退火处理40分钟；所述第一有机薄膜层为派瑞林薄膜；
(2)退火结束后，采用原子层沉积的方式在所述第一有机缓冲层上制备厚度为40nm的第一无机薄膜层，所述第一无机薄膜层为Al2O3薄膜；
(3)再采用喷涂的方式在所述无机薄膜层表面制备厚度为10μm的有机缓冲层，有机缓冲层为聚四氟乙烯结构氟碳聚合物薄膜；
(4)再采用化学气相沉积的方式在所述有机缓冲层制备厚度为15μm的第二有机薄膜层，然后于150℃进行退火处理40分钟；所述第二有机薄膜层为聚酰亚胺树脂薄膜；
(5)退火结束后，采用原子层沉积的方式在所述第二有机薄膜层上制备厚 度为30nm的第二无机薄膜层，得到封装层，所述第二无机薄膜层为Al2O3薄膜；如图5所示，为本实施例制备得到的具有封装层的医学植入器件，所述封装层为五层结构，包括依次设置在所述植入器件表面的第一有机薄膜层、第一无机薄膜层、有机缓冲层、第二有机薄膜层和第二无机薄膜层。
实施例6
一种医学植入器件的封装方法，包括以下步骤：
(1)提供植入器件本体，采用原子层沉积的方式在所述器件表面上制备厚度为40nm的第一无机薄膜层，所述第一无机薄膜层为Al2O3薄膜；
(2)采用化学气相沉积的方式在所述第一无机薄膜层上制备厚度为20μm的第一有机薄膜层；所述第一有机薄膜层为派瑞林薄膜；
(3)再采用喷涂的方式在所述第一有机薄膜层表面制备厚度为10μm的有机缓冲层；有机缓冲层为聚四氟乙烯结构氟碳聚合物薄膜；
(4)采用化学气相沉积的方式在所述有机缓冲层上制备厚度为15μm的第二有机薄膜层，然后于150℃进行退火处理40分钟，所述第二有机薄膜层为聚酰亚胺树脂薄膜；
(5)退火结束后，采用原子层沉积的方式在所述第二有机薄膜层上制备厚度为30nm的第二无机薄膜层，得到封装层，所述第二无机薄膜层为Al2O3薄膜；如图6所示，为本实施例制备得到的具有封装层的医学植入器件，所述封装层为五层结构，包括依次设置在所述植入器件表面的第一无机薄膜层、第一有机薄膜层、有机缓冲层、第二有机薄膜层和第二无机薄膜层。
本发明上述的实施例只是介绍了几种可实施的方式，在其他实施例中，还可以在本发明的权利要求保护范围内，对封装层的结构进行调整。
本发明上述实施例中，其植入器件本体具体可以包括神经电极、无线传输线圈、集成电路芯片、PCB板、传感器、生物芯片板、心脏起搏器、人造视网膜、人工耳蜗、除颤器和刺激器中的一种或多种。其中刺激器包括迷走神经刺激器、脊髓刺激器、颈动脉窦电刺激器、膀胱刺激器、肠胃刺激器和深脑刺激器等。
本发明上述实施例制备得到的具有封装层的医学植入器件，其封装层由有机和无机多层生物兼容性的致密薄膜层叠而成，具有厚度均匀、致密无针孔、透明无应力等特点，且具有优异的水氧绝缘性和防护性。将该植入器件植入人体后，体内复杂环境下水氧分子的渗透路线将沿着有机/无机薄膜的界面层，从而大大延长了体内环境下水氧分子的渗透的路径，大大提高了植入器件的使用寿命。
效果实施例
为对本发明实施例技术方案带来的有益效果进行有力支持，特提供以下性能测试：
将本发明上述实施例制备得到的具有封装层的医学植入器件，进行细胞相对增值率毒性反应测试和氦气检漏气密性测试。其中，细胞相对增值率毒性反应测试可有效反映植入器件的生物兼容性，而氦气检漏气密性测试能够很好的反映器件的植入年限可靠性。
细胞毒性测试参照中华人民共和国国家标准GB/T 16886.5-2003。表1为本发明实施例1-6制备得到的具有封装层的医学植入器件的细胞相对增值率毒性反应测试结果。
表1
Figure PCTCN2017093873-appb-000001
从表1的结果可以看出，本发明实施例1-6制备得到的具有封装层的医学植入器件的细胞毒性测试的细胞分级都为0级，具有很好的生物兼容性，可以长时间植入人体。
氦气检漏气密性测试结果显示，本发明实施例1-6制备得到的具有封装层的医学植入器件能够达到10年的植入标准。
需要说明的是，根据上述说明书的揭示和和阐述，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些等同修改和变更也应当在本发明的权利要求的保护范围之内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

Claims (10)

  1. 一种具有封装层的医学植入器件，其特征在于，包括器件本体，以及用于封装所述器件本体的封装层，所述封装层包括层叠设置的至少一层有机薄膜层和至少一层无机薄膜层，所述封装层的最里层为有机薄膜层或无机薄膜层，所述封装层的最外层为有机薄膜层或无机薄膜层，所述有机薄膜层为具有生物相容性的派瑞林薄膜或聚酰亚胺树脂薄膜，所述无机薄膜层为具有生物相容性的无机薄膜。
  2. 如权利要求1所述的具有封装层的植入体器件，其特征在于，所述具有生物相容性的无机薄膜包括Al2O3薄膜，SiO2薄膜，SiC薄膜，TiO2薄膜或SiN薄膜。
  3. 如权利要求1所述的具有封装层的植入体医疗电子器件，其特征在于，所述有机薄膜层的厚度为0.5-60μm，所述无机薄膜层的厚度为20-100nm。
  4. 如权利要求1所述的具有封装层的植入体医疗电子器件，其特征在于，所述封装层进一步包括一层或多层有机缓冲层，所述有机缓冲层为具有生物相容性的聚四氟乙烯薄膜或聚四氟乙烯结构氟碳聚合物薄膜。
  5. 如权利要求4所述的具有封装层的植入体医疗电子器件，其特征在于，所述有机缓冲层设置于任意的所述有机薄膜层或所述无机薄膜层之上。
  6. 如权利要求4所述的具有封装层的植入体医疗电子器件，其特征在于，所述有机缓冲层的厚度为0.5-60μm。
  7. 如权利要求1所述的具有封装层的植入体医疗电子器件，其特征在于，所述器件本体包括神经电极、无线传输线圈、集成电路芯片、PCB板、传感器、生物芯片板、心脏起搏器、人造视网膜、人工耳蜗、除颤器和刺激器中的一种 或多种。
  8. 一种医学植入器件的封装方法，其特征在于，包括以下步骤：
    提供器件本体，在所述器件本体表面层叠制备至少一层有机薄膜层和至少一层无机薄膜层，得到封装层，所述有机薄膜层为具有生物相容性的派瑞林薄膜或聚酰亚胺树脂薄膜；所述无机薄膜层为具有生物相容性的无机薄膜；所述封装层的最里层为有机薄膜层或无机薄膜层，所述封装层的最外层为有机薄膜层或无机薄膜层。
  9. 如权利要求8所述的封装方法，其特征在于，进一步包括在任意的所述有机薄膜层或无机薄膜层表面制备有机缓冲层，所述有机缓冲层为具有生物相容性的聚四氟乙烯薄膜或聚四氟乙烯结构氟碳聚合物薄膜。
  10. 如权利要求9所述的封装方法，其特征在于，每次制备所述无机薄膜层之前，先对所述有机薄膜层或所述有机缓冲层进行退火处理，所述退火处理的温度为100-200℃，时间为5-120分钟。
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