一种植入式光电心脏起搏器及其制备方法与流程

本发明涉及生物医用植入材料技术领域，具体地说是一种植入式光电心脏起搏器及其制备方法。

背景技术：

人工心脏起搏器是一种临床上广泛使用的一种植入式电子设备，可通过发出规律的电脉冲刺激心肌收缩。常用于心脏相关的病态窦房结综合症或房室传导阻滞的治疗，以恢复患者心律，改善患者生活质量和延长患者生命周期。

通常，心脏起搏器由其内部电池供电，电池的寿命决定了起搏器的使用年限，虽然电池技术的进步使其存储容量有所增加，但使用寿命仍然有限。因此，每隔7到10年，必须采用手术以换下埋入胸部皮肤下的耗尽电池。因此，增加了患者的痛苦和经济负担，并使发病率增加甚至存在潜在的死亡风险。

由于少量光线，尤其是近红外光，能够穿透人体皮肤，因此有研究提出可通过光伏效应，利用太阳能电池，将透过皮肤的太阳光转换为电能，为心脏起搏器供电，从而实现无电池的起搏。haeberlin等构建了一个可以从周围的阳光中获取能量的皮下植入太阳能模块，并将这种太阳能模块成功地为起搏器供电(a.haeberlin,etal,europace,2014,16(10):1534-1539.)。song等制作了一种超薄光伏电池，通过皮下捕获透过皮肤组织的光并随后为起搏器供电，从而在体内获得更高水平的能量(k.song,etal,advhealthcmater,2016,5(13):1572-1580.)。

然而，上述方法均类似于常用的商业心脏起搏器，一般需要将这些庞大的太阳能电池植入锁骨附近的皮肤，或被植入皮下，并且需要经静脉传输电刺激。这种植入方式可能引发一系列的副反应疾病，如引发与经静脉相关的并发症，导线移位、静脉阻塞、三尖瓣关闭不全和心内膜炎等；引起和皮下囊袋相关的感染和血肿等；此外，皮肤糜烂和败血症也是不可避免的。

因此，如何提供一种小型化的光电起搏器，可以自供电，并且与人的心脏形成良好的接触，或注入心肌，直接且连续地驱动心脏跳动而无需外部电源和连接线，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种植入式光电心脏起搏器及其制备方法，以实现自供电，并且与人的心脏形成良好的接触，或注入心肌，直接且连续地驱动心脏跳动而无需外部电源和连接线。

为了达到上述目的，本申请提供如下技术方案。

一种植入式光电心脏起搏器的制备方法，s1、将衬底材料清洗干净，置于等离子体增强化学的气相沉积系统中，以低熔点的sn作为催化剂，通过气-液-固(vls)生长机制，低温下生长径向结太阳能电池；

s2、将步骤s1中制得的径向结太阳能电池不处理获得柔性光电起搏贴片或起搏线，或置于酸性溶液中溶解成单分散的径向结纳米级光电起搏器，或先覆盖一层透明的薄膜材料后溶解以获得微米级径向结光电起搏器的组合体。

优选地，所述步骤s2中先覆盖一层透明的薄膜材料，再用透明的柔性高分子薄层再次覆盖，然后经过酸处理，在开始分离的同时，将整片柔性高分子薄层用镊子撕下，去离子水清洗后，获得柔性光电起搏器贴片。

优选地，所述步骤s1中径向结太阳能电池为pin径向结纳米线，其基本结构是以中心p型硅纳米线为中心的轴向核壳结构，从里到外依次为p型纳米线，i层非晶硅(本征层)和n层非晶硅。

优选地，所述pin径向结纳米线的直径为150～300nm。

优选地，所述p型纳米线的直径为40～80nm，i层非晶硅的厚度为80～150nm，n层非晶硅的厚度为5～10nm；所述p型纳米线的掺杂浓度为10¹⁵～10¹⁶cm^-3，所述n层非晶硅的掺杂浓度为10¹⁶～10¹⁷cm^-3。

优选地，所述步骤s1中衬底材料为铝箔、金属钨丝、氧化硅片及表面淀积氧化硅膜的氮化硅片中的至少一种。

优选地，所述铝箔的厚度为20～25μm，所述金属钨丝的直径为0.1～0.6mm，所述氧化硅片的厚度为500±10μm，其氧化层厚度为200～600nm。

优选地，所述步骤s2中薄膜材料为su8、az5214、氮化硅薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷及聚氨酯中的至少一种。

优选地，所述步骤s2中柔性高分子薄层为pdms、聚氨酯、聚二甲基硅氧烷及聚乳酸-羟基乙酸共聚物中的至少一种。

上述制备方法制备的一种植入式光电心脏起搏器，具有自供电功能，并且与人的心脏形成良好的接触，或注入心肌，直接且连续地驱动心脏跳动而无需外部电源和连接线。

本发明所获得的有益技术效果：

1)本发明解决了现有心脏起搏器由电池供电，每隔7到10年，必须采用手术以换下埋入胸部皮肤下的耗尽电池，增加了患者的痛苦和经济负担，并使发病率增加甚至存在潜在死亡风险的缺陷；相比传统心脏起搏电极，本发明具有自供电功能，并且与人的心脏形成良好的接触，或注入心肌，直接且连续地驱动心脏跳动而无需外部电源和连接线；

2)本发明采用纳米量级太阳能电池结构，由传统半导体硅材料制成，具有良好的生物亲和性，对机体无毒副作用，并且便于结合微创手术技术，能够高效、准确且安全地将纳米光电起搏器送至心脏表面，大大减轻了手术对患者造成的创伤；依托于半导体产业成熟的制作工艺，太阳能电池结构可以进行批量生产，且成本低廉；

3)本发明通过光伏效应，使起搏器表面产生电压或电荷，直接接触心脏刺激，不需要额外的供电装置，且不需要导线，减少患者更换供电装置带来的身体损伤及高额的手术费用，同时减少导线穿过静脉时带来的炎症反应；

4)本发明具有优异的电学性能，在低强度光照条件下，即可实现较大的电刺激；只需要一个纳米太阳能电池单元即可引起心脏的起搏，即该起搏器占用的空间极小，效率高，更有望获得纳米级起搏器。

上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下以本申请的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

根据下文结合附图对本申请具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述及其他目的、优点和特征。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1是pin径向结纳米线贴片sem图；

图2是实施例1中光电起搏器贴片置于心脏表面的照片；

图3是实施例1中光电起搏器贴片置于心脏表面光照前后的心电图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在下面的描述中，提供诸如具体的配置和组件的特定细节仅仅是为了帮助全面理解本申请的实施例。因此，本领域技术人员应该清楚，可以对这里描述的实施例进行各种改变和修改而不脱离本申请的范围和精神。另外，为了清除和简洁，实施例中省略了对已知功能和构造的描述。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，单独存在b，同时存在a和b三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，a/和b，可以表示：单独存在a，单独存在a和b两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

本文中术语“至少一种”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和b的至少一种，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。

实施例1

一种植入式光电心脏起搏器的制备方法，包括以下步骤：

s1、将铝箔清洗干净，铝箔的厚度为20μm，表面蒸镀2nm厚的sn，置于等离子体增强化学的气相沉积系统中，以低熔点的sn作为催化剂，通过气-液-固(vls)生长机制，低温下生长径向结太阳能电池。

其中，径向结太阳能电池为pin径向结纳米线，其基本结构是以中心p型硅纳米线为中心的轴向核壳结构，从里到外依次为p型纳米线，i层非晶硅(本征层)和n层非晶硅。

所述p型纳米线的直径为40nm，i层非晶硅的厚度为80nm，n层非晶硅的厚度为10nm；所述p型纳米线的掺杂浓度为10¹⁶cm^-3，所述n层非晶硅的掺杂浓度为10¹⁷cm^-3。

如附图1所示，pin径向结纳米线的表面形貌的扫描电镜，结果表明，光电起搏器贴片表面径向结纳米线的单根直径为300nm。

s2、将步骤s1中制得的径向结太阳能电池不处理，即获得柔性光电起搏贴片。

上述制备方法制备的植入式光电心脏起搏器，其应用方法：

患者麻醉后，正中开胸，暴露出心脏，打开心包，暴露出心外膜，将所述步骤s2中获得柔性光电起搏器贴片直接贴在心脏的心外膜表面，利用表面体液粘合作用直接固定，无需额外缝合固定。

通过650纳米光照射，即可使柔性光电起搏器贴片中的径向结太阳能电池表面产生电荷实现心脏起搏刺激。当刺激产生的对心肌的刺激频率大于正常窦性心律时，即可取代窦房结的控制权，获得新的起搏点。

如附图2所示，上述植入式光电心脏起搏器贴片置于心脏表面的照片，其上布满了如图1所示pin径向结纳米线；植入式光电心脏起搏器植入动物心脏表面后，可在心脏表面紧密贴合。

如附图3所示，上述植入式光电起搏器贴片置于心脏表面光照前后的心电图，由图可知，通过对如图2所示贴片施加频率略大于实验动物自身心脏跳动频率的光照后，实验动物心电图在3秒时发生剧烈变化，原窦性心律消失，出现了与原心脏跳动时电位相反的峰，且实验动物心脏跳动频率逐渐增加，心脏跳动频率逐渐接近光照频率，达到了心脏起搏的效果实验动物正常心脏跳动为103下/min，而光照刺激时，心电图发生明显的改变，心脏跳动为141下/min，原窦性心律消失，产生了新的心电图形，表明心脏起搏器起搏成功。

优势：本实施例中铝箔衬底具有一定的柔性，可以多次弯折，且弯折过后电池性能没有变化，方便纳米线紧密贴附在心脏表面。

实施例2

一种植入式光电心脏起搏器的制备方法，包括以下步骤：

s1、将铝箔清洗干净，铝箔的厚度为25μm，表面蒸镀3nm厚的sn，置于等离子体增强化学的气相沉积系统中，以低熔点的sn作为催化剂，通过气-液-固(vls)生长机制，低温下生长径向结太阳能电池。

其中，径向结太阳能电池为pin径向结纳米线，pin径向结纳米线的单根直径为150nm，其基本结构是以中心p型硅纳米线为中心的轴向核壳结构，从里到外依次为p型纳米线，i层非晶硅(本征层)和n层非晶硅。

所述p型纳米线的直径为80nm，i层非晶硅的厚度为150nm，n层非晶硅的厚度为5nm；所述p型纳米线的掺杂浓度为10¹⁵cm^-3，所述n层非晶硅的掺杂浓度为10¹⁶cm^-3。

s2、将步骤s1中制得的径向结太阳能电池不处理，即获得柔性光电起搏贴片。

上述制备方法制备的植入式光电心脏起搏器，其应用方法：

患者麻醉后，正中开胸，暴露出心脏，打开心包，暴露出心外膜，将所述步骤s2中获得柔性光电起搏器贴片直接贴在心脏的心外膜表面，利用表面体液粘合作用直接固定，无需额外缝合固定。

通过650纳米光照射，即可使柔性光电起搏器贴片中的径向结太阳能电池表面产生电荷实现心脏起搏刺激。当刺激产生的对心肌的刺激频率大于正常窦性心律时，即可取代窦房结的控制权，获得新的起搏点。

优势：本实施例中铝箔衬底具有一定的柔性，可以多次弯折，且弯折过后电池性能没有变化，方便纳米线紧密贴附在心脏表面。

实施例3

一种植入式光电心脏起搏器的制备方法，包括以下步骤：

s1、将氧化硅片清洗干净，氧化硅片的厚度为500±10μm，其氧化层厚度为200～600nm，表面蒸镀1～3nm厚的sn，置于等离子体增强化学的气相沉积系统中，以低熔点的sn作为催化剂，通过气-液-固(vls)生长机制，低温下生长径向结太阳能电池；

其中，径向结太阳能电池为pin径向结纳米线，pin径向结纳米线的直径为150～250nm，其基本结构是以中心p型硅纳米线为中心的轴向核壳结构，从里到外依次为p型纳米线，i层非晶硅(本征层)和n层非晶硅。

所述p型纳米线的直径为40～80nm，i层非晶硅的厚度为80～150nm，n层非晶硅的厚度为5～10nm；所述p型纳米线的掺杂浓度为10¹⁵～10¹⁶cm^-3，所述n层非晶硅的掺杂浓度为10¹⁶～10¹⁷cm^-3。

s2、将步骤s1中制得的径向结太阳能电池经过一定浓度的氢氟酸处理，氢氟酸与sio2发生反应，腐蚀掉硅片与径向结电池中间的sio2层，静置沉淀，将所得溶液溶剂置换为pbs溶液，将置换后的液体装入离心管高速离心(转速为4000rpm～12000rpm)，离心后再加入少量pbs溶液，放入超声波清洗仪内加大功率超声破碎，即可获得单分散的径向结纳米级光电起搏器。

上述制备方法制备的植入式光电心脏起搏器，其应用方法：

患者麻醉后，采用不开胸心脏手术，在胸壁上打小孔，并将医用微摄像头深入患者体内，通过胸腔镜视频，定位到心脏部位，利用微创手术器械将单分散的径向结纳米级光电起搏器植入心肌内部。通过近红外光照射，使光电起搏器中的径向结太阳能电池产生光伏效应，刺激心肌实现心脏起搏刺激。

优势：本实施例中植入式光电心脏起搏器不需要做开胸手术，只需要做微创手术即可，对患者造成伤害小。另外，每一个径向结太阳能电池单元都能提供足够高的电压，所以原则上只需要微量注入即可达到起搏效果。

实施例4

一种植入式光电心脏起搏器的制备方法，包括以下步骤：

s1、将金属钨丝或线清洗干净，金属钨丝或线的直径为0.1～0.6mm，表面蒸镀1～3nm厚的sn，置于等离子体增强化学的气相沉积系统中，以低熔点的sn作为催化剂，通过气-液-固(vls)生长机制，即可在钨丝表面生长径向结太阳能电池；

其中，径向结太阳能电池为pin径向结纳米线，pin径向结纳米线的直径为150～250nm，其基本结构是以中心p型硅纳米线为中心的轴向核壳结构，从里到外依次为p型纳米线，i层非晶硅(本征层)和n层非晶硅。

所述p型纳米线的直径为40～80nm，i层非晶硅的厚度为80～150nm，n层非晶硅的厚度为5～10nm；所述p型纳米线的掺杂浓度为10¹⁵～10¹⁶cm^-3，所述n层非晶硅的掺杂浓度为10¹⁶～10¹⁷cm^-3。

s2、将步骤s1中制得的径向结太阳能电池不处理，即获得柔性针状光电起搏器。

上述制备方法制备的植入式光电心脏起搏器，其应用方法：

患者麻醉后，正中开胸，暴露出心脏，打开心包，暴露出心外膜，将获得的柔性金属丝状光电起搏器用缝合针牵引一端直接穿入心肌表层后再从另一部位穿出，使柔性针状光电起搏器两端暴露在心肌外侧，中间部分在心肌表层内部，即可实现固定。通过近红外光照射，即可使柔性针状光电起搏器中的径向结太阳能电池表面产生电信号，以刺激心肌，实现心脏起搏。

优势：本实施例中植入式光电心脏起搏器不需要将径向结电池做成溶液或贴片，只需要将径向结纳米线生长在钨丝上即可，由于纳米线生长时其p型芯与钨丝天然相连，所以钨丝可以作为起搏电极的一极使用，另外由于钨丝有一定的柔韧性，可以直接缝合在心脏上，操作起来十分方便快捷。

实施例5

一种植入式光电心脏起搏器的制备方法，包括以下步骤：

s1、将沉积有氧化硅膜的氮化硅片表面清洗干净，表面蒸镀1～3nm厚的sn，置于等离子体增强化学的气相沉积系统中，以低熔点的sn作为催化剂，通过气-液-固(vls)生长机制，即可在其表面获得径向结太阳能电池；

其中，径向结太阳能电池为pin径向结纳米线，pin径向结纳米线的直径为150～250nm，其基本结构是以中心p型硅纳米线为中心的轴向核壳结构，从里到外依次为p型纳米线，i层非晶硅(本征层)和n层非晶硅。

所述p型纳米线的直径为40～80nm，i层非晶硅的厚度为80～150nm，n层非晶硅的厚度为5～10nm；所述p型纳米线的掺杂浓度为10¹⁵～10¹⁶cm^-3，所述n层非晶硅的掺杂浓度为10¹⁶～10¹⁷cm^-3。

s2、将步骤s1中制得的径向结太阳能电池先覆盖一层透明的薄膜材料后，其中，薄膜材料为su8，薄膜材料的厚度为4～6μm，再用透明的柔性高分子薄层再次覆盖，其中，柔性高分子薄层为pdms，然后经过氢氟酸处理，腐蚀硅片与径向结电池中间的sio2层，在开始分离的同时，将整片柔性高分子薄层用镊子撕下，去离子水清洗后，即可获得柔性光电起搏器贴片。

优选地，所述薄膜材料为az5214、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷或聚氨酯。

优选地，所述柔性高分子薄层为聚氨酯、聚二甲基硅氧烷或聚乳酸-羟基乙酸共聚物。

上述制备方法制备的植入式光电心脏起搏器，其应用方法：

患者麻醉后，正中开胸，暴露出心脏，打开心包，暴露出心外膜。将获得柔性光电起搏器贴片直接贴在心脏的心外膜表面，利用表面体液粘合作用直接固定。通过650纳米光照射，即可使柔性光电起搏器贴片中的径向结太阳能电池表面产生电荷实现心脏起搏刺激。

优势：本实施例中植入式光电心脏起搏器所使用的pdms具有绝缘、透明等特点，不仅能使光透过其照在纳米线上，还能把径向结电池的正负极隔离开来，防止在动物体液环境下径向结电池正负极直接导通。

实施例6

一种植入式光电心脏起搏器的制备方法，包括以下步骤：

s1、将沉积有氧化硅膜的氮化硅片表面清洗干净，表面蒸镀1～3nm厚的sn，置于等离子体增强化学的气相沉积系统中，以低熔点的sn作为催化剂，通过气-液-固(vls)生长机制，即可在其表面获得径向结太阳能电池；

其中，径向结太阳能电池为pin径向结纳米线，pin径向结纳米线的直径为150～250nm，其基本结构是以中心p型硅纳米线为中心的轴向核壳结构，从里到外依次为p型纳米线，i层非晶硅(本征层)和n层非晶硅。

所述p型纳米线的直径为40～80nm，i层非晶硅的厚度为80～150nm，n层非晶硅的厚度为5～10nm；所述p型纳米线的掺杂浓度为10¹⁵～10¹⁶cm^-3，所述n层非晶硅的掺杂浓度为10¹⁶～10¹⁷cm^-3。

s2、将步骤s1中制得的径向结太阳能电池表面淀积一层透明的薄膜材料，其中，薄膜材料为氮化硅薄膜，再经过氢氟酸处理，腐蚀硅片与径向结电池中间的sio2层，分离后离心，转入去离子水中超声处理，即可获得微米级径向结光电起搏器的组合体。

优选地，所述薄膜材料为su8、az5214、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷或聚氨酯。

上述制备方法制备的植入式光电心脏起搏器，其应用方法：

患者麻醉后，采用不开胸心脏手术，在胸壁上打小孔，并将医用微摄像头深入患者体内，通过胸腔镜视频，定位到心脏部位，利用微创手术器械将微米级径向结光电起搏器的组和体植入心肌内部。通过近红外光照射，使光电起搏器中的径向结太阳能电池产生光伏效应，刺激心肌实现心脏起搏刺激。

优势：本实施例中植入式光电心脏起搏器既可做成单分散的径向结纳米线太阳电池，植入时无需做开胸手术，又可以把该电池的正负极隔离开来，以防在溶液中正负极直接导通。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，其并非因此限制本发明的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，通过常规的替代或者能够实现相同的功能在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和参数变更均落入本发明的保护范围内。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，其并非因此限制本发明的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，通过常规的替代或者能够实现相同的功能在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和参数变更均落入本发明的保护范围内。