一种生物燃料电池供电的无导线心脏起搏器的制作方法

本发明属于有源植入类医疗器械，涉及一种生物燃料电池供电的无导线心脏起搏器，属于医学工程领域。

背景技术：

心脏起搏器广泛用于治疗心律失常所致的心脏功能障碍疾病，据来自卫生部的消息，我国每年约有50多万人死于房颤引起的猝死（心源性猝死），而心脏起搏器作为治疗心源性猝死的有效治疗手段，可以24小时不间断地对病人心率进行监测，一旦发现病人心率异常（过快或过缓），起搏器即会在十几秒钟内通过医生事先设定的治疗方案自动纠正异常心率，使其恢复正常的跳动。成功率可达百分之百。

传统起搏器存在诸多如导线疲劳损伤、系统感染率高、更换电池难、囊袋破损等方面的问题。无线起搏器凭借其体积小、无导线、寿命长、感染率低等众多优点，克服传统起搏器的不足，无线心脏起搏器开始受到人们广泛重视。无线心脏起搏器体积只有传统起搏器的十分之一，集成电路的发展和电池技术的进步决定着无导线心脏起搏器的未来发展。

当前酶促生物燃料电池面临两大挑战，即寿命短和功率密度低，这极大地的限制了其实际应用

现有的无线心脏起搏器，由不可充电电池提供能量。电池部分占了起搏器体积的一半，限制了起搏器的功能的多样化。本专利描述了一种生物燃料电池供电的无导线心脏起搏器，可利用血液中的葡萄糖进行发电，为起搏器提供电能。

us3941135a：西门子公司提出了一种改进的心脏起搏器，并且具有可植入的葡萄糖/氧气生物燃料电池作为能量供应。设计了葡萄糖电极和氧电极，以血液中的葡萄糖为介质，发生电化学反应，产生电能。

us20050118494a1：nanosolutions公司于2003年公开提出了一种基于纳米结构的植入式生物燃料电池系统，该系统电极结构由沉积在具有纳米结构的高表面积金属线的阳极和固定在碳纳米管上的酶制成的阴极电极组成，阳极酶包含固定的葡萄糖氧化酶，阴极酶包含固定的漆酶。葡萄糖在阳极表面被氧化，氧在阴极表面被还原。耦合的葡萄糖氧化——氧还原发生反应提供自生电流源，用于植入式医疗器械的电能供给。该系统对电极结构进行了优化。

wo2004012811a1：该专利提供了一种微集成心脏起搏器和分布式心脏起搏系统，该系统电源单元是生物燃料电池通过氧化生物燃料取出电子，从而产生一定的电流。该生物燃料电池的特征在于它包括阳极和阴极，生物燃料的氧化酶通过介体固定在阴极上，血液和/或体液用作电解质溶液，发生电化学反应，产生电能。

4-cn203816091u-生物能心脏起搏器：该专利提供一种生物能心脏起搏器，具有：心律监测部，脉冲发生器，刺激电极以及发电部，其中，发电部包括发电主体、调节端、输出电极、电能存储单元以及封装层，发电主体用于包绕主动脉，以采集主动脉扩张时所产生的机械能，并转化为电能。原理为收集心脏的机械能，存储并用于起搏器供电。与葡萄糖为介质的生物燃料电池原理上有本质区别。

技术实现要素：

本发明提供了一种转换体内葡萄糖的化学能为电能从而为电池供电的无导线心脏起搏器系统，用以解决目前起无导线搏器寿命问题。

为实现上述目的，本发明提供一种其特征在于：具有电化学反应模块、电能收集模块、电压放大模块和电路模块，其中：

所述电化学反应模块由电池阳极以及电池阴极组成，以血液中的葡萄糖为燃料，发生电化学反应，产生一定的电压；电化学反应模块由电池阳极和电池阴极组成；

所述电化学反应模块可配置为外部控制环控制的，由电池阴极和电池阳极组成的系统；该系统可套在心脏起搏器的电极导线上，未植入时置于起搏器壳体的硅胶保护套内，待导线植入完成时，可通过外部控制环进入到心脏腔室，通过固定卡扣固定，从而发生电化学反应。

所述固定卡扣在控制环穿在导线上时，处于缩回状态，待外部控制环通过输送工具植入到指定凹槽位置，固定卡扣弹出，可固定控制环，同时，电池阴极和电池阳极发生的电化学反应产生的电能通过固定卡扣上的接口传递到起搏器系统，用于起搏器供电或电能存储。

所述电化学反应模块可直接制成为传统起搏器位于电极导线头端的电极导线一部分，电池阳极和电池阴极组成电化学反应模块，固定装置负责固定导线，电极刺激阴极和阳极产生电流回路刺激心脏。

所述电化学反应模块还可配置为位于无导线心脏起搏器尾部的电池系统，在无导线心脏起搏器通过输送系统植入后，电池阴极和电池阳极以血液中的葡萄糖为燃料，发生电化学反应，为起搏器供电。

所述无导线心脏起搏器尾部的电池系统可直接设计制造成无导线心脏起搏器尾部两侧的电池阴极和电池阳极，和壳体融为一体，缩小整体系统的体积。

所述无导线心脏起搏器尾部的电池系统可设计制造为伸出无导线心脏起搏器尾部的电池阴极和电池阳极，增大与血液的接触面积，提到电能转换效率。

所述电池阳极由葡萄糖脱氢酶或其他可用于生物燃料电池阳极的酶或催化剂复合在电极基质材料上组成，所述电池阴极由复合在电极基质材料上的漆酶或其他可用于生物燃料电池阴极的酶组成，。

所述电极基质材料由多壁碳纳米管与酶复合制成的夹心结构或其他可用做电极基质的材料制成；

所述复合方法包括但不仅限于逐层沉积技术、吸附法、包埋法、交联法、公家结合法。逐层沉积技术精确控制金纳米粒子和酶的沉积。

所述电能收集模块用于收集电化学反应模块产生的低压电力。

所述电能收集模块由eh4295装置或其他电压收集装置收集电化学模块产生的低压电力；

所述电压放大模块接收来自电能收集模块的的低压电力，通过放大电路，放大低压电力为可启动起搏器的电压范围；

所述电压放大电路由eh300装置或其他电压放大装置放大来自电能收集模块的低压电力，使电压足以驱动电路模块工作；

所述起搏器工作电压范围为1.0v-3.0v；

所述电路模块由生物燃料电池提供电能，负责产生周期的脉冲，刺激心房或心室。

所述电能收集模块由超低输入电压升压电路充电泵或其他符合条件的升压电路组成，收集电化学模块产生的低电压。

所述dc-dc转换器所述dc-dc转换器可由seikos-8353控制器或其他符合条件的控制器组成。

附图说明

图1是本发明实施例中电化学反应模块置于传统起搏器电极导线的工作原理图。

图2是本发明实施例中传统起搏器控制环的示意图。

图3是本发明实施例中电极导线和电化学反应模块工作示意图

图4是本发明实施例中控制环固定方式和能量传递的工作原理图

图5是本发明实施例中传统起搏器电极导线上电化学反应模块的植入过程图

图6是本发明实施例中无导线起搏器实现生物燃料电池供电的结构设计图

图7是本发明实施例中无导线起搏器钩爪电极的结构设计图

图8是电池阴极和电池阳极的夹心结构设计原理图

具体实施方式

实施例旨在进一步说明本发明的内容，而不是限制本发明的保护范围。本发明描述的技术可应用于任何电极刺激的医疗器械，如胃刺激器、心脏除颤器，脑起搏器、深部脑刺激器、皮下神经刺激器以及其他形式的刺激器。下面根据实施例具体说明实施方式

实施例1

在一些示例中，如图1所示，起搏器系统被配置为传统心脏起搏器，置于胸下囊袋中，通过电极导线植入到心脏的腔室当中，电极导线上可配置有电化学反应模块。

所述电化学反应模块由电池阳极以及电池阴极组成，以血液中的葡萄糖为燃料，发生电化学反应，产生一定的电压。

在一些示例中，所述电化学反应模块可直接制成为传统起搏器位于电极导线头端的电极导线一部分，电池阳极和电池阴极组成电化学反应模块，固定装置负责固定导线，电极刺激阴极和阳极产生电流回路刺激心脏。

所述传统起搏器包括用导线进行刺激的单腔双腔或多腔起搏器，此种起搏器用植入心脏腔室的电极导线实现对心脏的刺激；在一些示例中，如图2所示，所述电电极导线上可配置具有供电功能的电化学反应模块，电极导线头端可设置两侧对称的弧形凹槽，碳纳米管和酶复合而成的电池正极和电池负极制成弧形结构，放置在电极导线的弧形凹槽中，外部用膜包裹。

所述膜由可由半透膜、选择性渗透膜等可供葡萄糖分子穿过的膜制成。

所述的电极导线内还设置有电压收集电路和电压放大电路组成电压放大模块，再通过升压变化器以使电压达到足以驱动起搏器的工作电压。

实施例2

在一些示例中，起搏器系统被配置为传统心脏起搏器，置于胸下囊袋中，通过电极导线植入到心脏的腔室当中，电极导线上可配置有电化学反应模块。

所述电化学反应模块由电池阳极以及电池阴极组成，以血液中的葡萄糖为燃料，发生电化学反应，产生一定的电压；所述电池阳极由葡萄糖脱氢酶或其他可用于生物燃料电池阳极的酶或催化剂复合在电极基质材料上组成，所述电池阴极由复合在电极基质材料上的漆酶或其他可用于生物燃料电池阴极的酶组成；所述基质材料为便于附着的多孔结构。

在一些示例中，如图8所示，电池阴极和阳极被配置为多壁碳纳米管与酶压制而成的夹心结构，电化学反应模块由附着在导线上的外部控制环和保护在起搏器内部的电池阴极和电池阳极组成。

外部控制环由生物相容性良好的硅胶材料制成。当导线植入完成时，位于初始位置的电化学反应模块可沿已经植入心脏腔室的电极导线进入心脏，到达指定位置，通过卡扣固定在电极导线上。

在植入前，电化学反应模块的电池阴极和阳极位于起搏器壳体内，保护电池阴极和电池阳极的结构、酶活性等不受破坏。电池阴极经精密沉积技术，将漆酶或其他可用于电池阴极的活性酶固定在多壁碳纳米上管制成夹心结构。电池阳极经交联法，将葡萄糖脱氢酶或其他可用于生物燃料电池阳极的酶或催化剂复合在电极基质材料上。电化学反应模块以血液中的葡萄糖为燃料，促进酶与葡萄糖的反应，产生一定的电压。

在一些示例中，电压收集模块可配置为具有良好弱电压收集效果的装置，收集产生的电压。通过电路放大模块装置或其他电压放大装置放大来自电能收集模块的低压电力，达到起搏器工作所需的1-3v的工作电压，使电压足以驱动电路模块工作。

实施例3

在一些示例中，起搏器系统被配置为具有电化学反应模块的无导线心脏起搏器。该系统由内部的脉冲发生器、电压放大模块、电压收集模块和外部的电化学反应模块组成，通过输送系统植入到心脏腔室中。

所述电化学反应模块由电池阳极以及电池阴极组成，以心脏腔室血液中的葡萄糖为燃料，发生电化学反应，产生一定的电压；电化学反应模块由电池阳极和电池阴极组成；所述电池阳极由葡萄糖脱氢酶或其他可用于生物燃料电池阳极的酶或催化剂复合在电极基质材料上组成，所述电池阴极由复合在电极基质材料上的漆酶或其他可用于生物燃料电池阴极的酶组成。所述基质材料为便于附着的多孔结构。在一些示例中，被配置为多壁碳纳米管与酶复合制成的夹心结构。

电池阴极和阳极经精密沉积技术，将漆酶或其他可用于电池阴极的活性酶固定在多壁碳纳米管上，复合制成的夹心结构。电化学反应模块以血液中的葡萄糖为燃料，促进酶与葡萄糖的反应，产生一定的电压。

在一些示例中，酶通过物理吸附的方法固定，该方法利用分子间的相互作用力，将酶固定在多孔陶瓷或多孔玻璃上；该方法不发生化学反应，很好的保留了酶的生物活性。

在一些示例中，电压收集模块可配置为具有良好弱电压收集效果的eh4295装置，收集产生的电压。通多电路放大模块eh300装置或其他电压放大装置放大来自电能收集模块的低压电力，达到起搏器工作所需的1-3v的工作电压，使电压足以驱动电路模块工作。

实施例4

在一些示例中，如图6所示，无导线起搏器系统的电化学反应模块被配置为位于固定钩爪上的四个电池电极；在该示例中，如图所示，无导线起搏器通过输送系统植入到心脏腔室内，通过固定钩爪固定在心肌上，钩爪由具有记忆效应的镍钛合金制成，保证无导线起搏器从输送系统推出时可固定在心肌上；固定钩爪外部包裹具有多孔结构的碳纳米管和酶交联或复合而成的电池阴极和电池阳极材料，无导线起搏器的可根据临床需求设置为多个固定钩爪，固定钩爪通过特殊的输送系统植入到心脏腔室，具有记忆效应的钩爪可自由弯曲，刺穿心脏腔室肌肉，固定在心脏腔室内。

钩爪的伸出部分可包裹具有多孔结构的碳纳米管和酶交联或复合而成的电池阴极和电池阳极材料，电池阴极可与相隔的两个电池阳极发生电化学反应，电池阳极可以相隔的两个电池阴极发生电化学反应，提高电能转换效率。

电池阴极和电池阳极反应产生的电能通过钩爪内部导线输入到起搏器壳体内，经电压收集模块和电压放大后，用于起搏器供电或电能存储。