使用液晶-磁性粒子复合粒子的电能收集的制作方法

本专利申请要求2017年7月7日递交的美国临时专利申请no.62/529,864、“electricityenergyharvestingwithliquidcrystal-magneticparticlecompositeparticles”的优先权，上述美国临时专利申请的全部内容通过引用并入本文。

公开的实施方式提供了用于刺激活体组织的方法和装置。

背景技术：

传统上，已经完成了利用液晶收集能量的工作，其中，如kittipaisalsilpa,k.,kato,t.&suzuki,y.于2016年在日本东京的东京大学的机械工程部门的一月刊liquid-crystal-enhancedelectrostaticvibration的第37-40页的标题为“liquid-crystal-enhancedelectrostaticvibrationgenerator”(kittipaisalsilpa等人，其全部内容通过引用并入本文)的发表物所教导的，液晶上的机械运动被转换为电能。在所述发表物中描述的装置是夹在电极之间的液晶材料的平面结构。

f.castles于2011年在美国物理联合会学术期刊(aipadvances)的标题为“thelimitsofflexoelectricityinliquidcrystals”的发表物中理论上分析了相似的结构，参见aipadvances，1(3)，第1-7页(其全部内容通过引用并入本文)。已经示出浸入液晶中的磁性粒子能够控制晶体的取向，参见wang,m等人在2014年的纳米快报(nanoletters)，第14期，第3966-3971页中的“magneticallyactuatedliquidcrystals”(其全部内容通过引用并入本文)。

技术实现要素：

公开的实施方式提供了一种用于使用包括液晶和磁性粒子的粒子系统来在组织中产生电流和/或电压的方法和装置。

根据至少一个实施方式，各方法和装置可以使用在一个或多个粒子系统中的液晶内的磁性粒子来传输机械能，使得由所述一个或多个粒子系统产生电能。

附图说明

特别地参考附图进行详细的描述，其中：

图1示出了装置的器件部件的示例。

图2示出了在图1中示出的器件对施加的磁场的响应的示例。

具体实施方式

本申请中公开的创新概念建立在2018年4月27日递交的美国非临时专利申请序号no.15/964,289、标题为“apparatusandmethodforremotedetectionofelectricfieldsinlivingtissuesusingmagneticparticlesandliquidcrystals”中描述的创新上，其全部公开内容通过引用并入本文。在该较早的申请中公开的创新概念涉及使用液晶/磁性粒子来检测组织的电状态。然而，本发明公开的实施方式则关于如何能够使用类似的粒子结构来改变受试者的组织的电状态。

出于本说明书的目的，术语“受试者”包括但不限于患有或不患有疾病的人或其它动物。同样，术语“液晶组分”包括但不限于具有取决于取向的电特性的任何材料，例如，驻极体形式的液晶。驻极体是极化的介电材料片，类似于永久磁铁，例如，如kittipaisalsilpa等人的描述。

传统上，已经在液晶中放置磁性粒子，如g.cordoyiannis等人在液晶(liquidcrystals)期刊43:3，第314-319页的标题为“theeffectofmagneticnanoparticlesuponthesmectic-atosmectic-c*phasetransition”的教导，参见cordoyiannis,g.等人，2016；其全部内容通过引用并入本文。

根据本发明公开的实施方式，所述装置可以包括至少一个器件，所述器件包含至少一个液晶和至少一个磁性粒子，其中，所述器件被放置在可被电刺激或电调整的活体组织内。

此外，根据本发明公开的实施方式，所述装置还可以包括放置在受试者的活体组织外部的仪器。

根据公开的实施方式，所提及的至少一个磁性粒子是在任何尺寸上小于100微米并且包含可被施加的磁场或电磁场磁化的一种或多种材料的结构。

根据至少一些实施方式，所述至少一个磁性粒子在其最大尺寸上可以小于100微米，并且在其最大尺寸上可以小于1微米，以及在其最大尺寸上可以小于10纳米(nm)，以及在其最大尺寸上可以小于1纳米(nm)。

图1示出了装置的器件部件的示例。在该示例中，使用具有侧壁30的圆柱形胶囊实现器件10，所述胶囊包含液晶材料40和磁性粒子50两者。胶囊被示出为具有可选的导电帽20和导电帽60。根据公开的实施方式，器件10在其最大尺寸上小于100微米，可以小于1微米，可以小于10纳米(nm)，和/或可以小于1纳米。应当理解，可以将器件10引入受试者体内，所述引入是鼻内引入、静脉内引入、口腔引入，或通过一些其它途径引入受试者体内。

出于本说明书的目的，术语“液晶溶液”包括液晶存在于器件10中而没有另一液体材料的情况、以及液晶在另一液体材料(例如水)中的情况。

图1示出了没有对其施加磁场的器件。

图2示出了器件100(器件100与图1中示出的器件10相同但具有施加的磁场)的响应的示例。如图2所示，磁性粒子140(在图1中示为50)通过施加的磁场取向以使液晶130取向为可以与施加的磁场平行的方向。可替选地，该方向可以已经通过先前的磁场或电磁场设定，或者该方向可以是生理过程(例如扩散)的结果。出于本说明书的目的，所述方向被称为“优先的”，因为本发明的使用者将会具有对于它应该是哪个方向的偏好，并且将向组织施加磁场或电磁场以创建该优先的方向。对于组织中不同的器件100，该优先的方向可以不同。施加的磁场可以已经通过放置在受试者身体外部的磁铁(永久性磁铁、电永久性磁铁、超导磁铁或其它类型的磁铁)来创建或以其它方式修改。

为实现优先取向而执行的操作产生待被施加到活体组织120的组成部分的电场。可以利用至少一个传感器150来实现和检测磁性粒子在排序上的变化，在至少一个实施方式中，传感器150可以放置在活体组织外部。传感器150的示例包括磁共振成像(mri)设备的部件或磁性粒子成像(mpi)设备的部件。结合先前在美国非临时专利申请序号no.15/964,289中公开的创新点，可以用传感器150远程检测粒子系统100的一种或多种成分的电取向，以描述粒子系统100的电活动或活体组织120的组成部分的电活动。例如，可以使用磁性粒子140的磁化向外部mri报告磁性粒子140的方向，从而描述液晶130的取向或整个粒子系统100的取向。

根据至少一个实施方式，所述至少一个传感器150可以电连接至计算机处理器160，计算机处理器160可以用于显示关于粒子系统100和活体组织120的组成部分的解剖学活动、电活动和磁活动的信息。

根据至少一个公开的实施方式，器件10/100的一个或多个部分可以涂有生物相容性材料，例如，聚乙二醇。

器件10/100的一个或多个部分可以涂有增强穿过生理屏障的输送的材料，例如，用于穿过血脑屏障的输送的细胞间黏附分子(icam)(参见hsu,j.等人于2012在纳米医学：纳米技术、生物和医学，8(5)，第731–9页的“enhanceddeliveryofα-glucosidaseforpompediseasebyicam-1-targetednanocarriers”：comparativeperformanceofastrategyforthreedistinctlysosomalstoragedisorders)(其全部内容通过引用并入本文)。血脑屏障是阻止材料从循环系统进入大脑的生理屏障。出于本说明书的目的，术语“进入大脑”是指包括粒子系统从循环系统或从鼻子或经由其它途径绕开或穿过血脑屏障输送到大脑中。器件10/100的一个或多个部分可以涂有用于增强生物相容性的材料，例如l1蛋白(参见kuo,l.e.等人于2007年在自然医学(naturemedicine)，13(7)，第803-811页的“neuropeptideyactsdirectlyintheperipheryonfattissueandmediatesstress-inducedobesityandmetabolicsyndrome”)(其全部内容通过引用并入本文)。

器件10/100的一个或多个部分可以包含增强推进或旋转的特征，如mair,l.o.等人于2015年在磁性和磁性材料杂志(journalofmagnetismandmagneticmaterials)，380，第295-298页的“analysisofdrivennanorodtransportthroughabiopolymermatrix”(其全部内容通过引用并入本文)和nacev,a.,stepanov,p.y.&weinberg,i.n.于2015年在纳米快报中的“dynamicmagneticinversionconcentratesferromagneticrodstocentraltargets”(其全部内容通过引用并入本文)所教导的。

根据至少一个实施方式，活体组织120可以是动物脑或人脑中神经元的集合。电活动可以来自非神经来源，例如肌肉细胞。根据至少一个实施方式，可以将一个或多个器件10/100置于距活体组织120的一个或多个神经元小于100微米处。

根据至少一个实施方式，一个或多个器件可以涂有可促进器件的至少一部分插入穿过神经膜的材料(例如，亲脂性涂层)。因此，应当理解，通过对器件进行适当的涂覆(例如，使用如上所描述的亲脂性涂层涂覆)，液晶器件可以更容易地被容纳到活体组织的组成部分中。

出于本发明的目的，术语“电场”(“electricalfield”或“electricfield”)指可以是电压或电流或场的形式的电能。更具体地，因为由于穿过神经元膜的电压梯度的维持(例如，使用代谢驱动的离子泵维持)，所以所有神经元都是电激发的，公开的实施方式可以用于改变穿膜(cross-membrane)电压以改变电压依赖性离子通道、或者激发或抑制神经元激活的其它生理机构的功能。

因此，磁场可以通过身体外部的器件被施加到粒子系统100，以便改变一个或多个磁性粒子140的取向，这转而可以迫使液晶/驻极体材料130的取向发生变化。因此，该取向可以产生待施加到受试者体内的组织100的电场。结果，该电场能够引起组织120的电状态的变化。

出于本发明的目的，从磁性粒子的机械能到电能的转换机制可以被理解为是由于液晶结构的变化。然而，应当理解，其它机制(例如，量子力学)可以是所描述的结构内的所述转换的原因，并且对于转换实际上是如何发生的具体细节对于本文公开的创新概念的技术效用并不重要。

应当理解，如1966年7月d.chapman在安.纽约研究院科学.卷137，2号生物，第745-754页的“liquidcrystalsandcellmembranes”(ann.n.y.acad.sci.,vol.137,no.2biologicalme,pp.745–754,jul.1966)(其全部内容通过引用并入本文)一书中所教导的，液晶存在于许多生命单位中。神经元细胞膜可以被认为是液晶，并且在这种情况下，液晶内的变化导致可以引起神经元刺激的电势改变。因此，应当理解，在由感兴趣的神经系统外部的仪器施加的磁场的控制下，使用磁性粒子对液晶结构的改变因此可以改变神经系统附近或内部的液晶的电特性，以刺激或以其它方式调节神经系统或活体组织的其它组成部分的电活动。此外，应当理解，可以通过使用本文公开的所述至少一个传感器和计算机处理器配置感测活体组织中的电压来监测或以其它方式控制活体组织中的电活动的这种改变。

由s.ghosh等人于2011年11月10日在欧洲物理快报(europeanlettersassociation，epl)第96(4)卷第47003页发表的标题为“effectofmultiferroicbifeo3nanoparticlesonelectro-opticalanddielectricpropertiesofapartiallyfluorinatedorthoconicantiferroelectricliquidcrystalmixture”(其全部内容通过引用并入本文)的科学论文中，给出了使用磁性纳米颗粒来影响液晶电场的示例。

由b.等人于2011年在“分子晶体和液晶(molecularcrystalsandliquidcrystals)”545(1)，第99/[1323]-104/[1328]页的“multiferroicbehaviourinmixturesoftheferroelectricliquidcrystalandmagneticnanoparticles”(其全部内容通过引用并入本文)中，以及由p.ganguly等人在应用物理快报(appliedphysicsletters)108(18)，第182905页的标题为“nanoparticlesinducedmultiferroicityinliquidcrystal”(其全部内容通过引用并入本文)的论文中，教导了磁性粒子的磁特性与液晶的电特性之间的结合的其它示例。

应当理解，可以用来实施本发明公开的创新概念的种类的磁性材料和液晶材料包括多铁性、铁电性和反铁电性材料。

请注意，附图示出了磁性粒子和液晶在单一方向上取向。然而，应当理解，可以在多个方向上取向，只要这些方向累积地导致产生电场即可。

此外，应当理解，所述至少一个传感器150和计算机处理器160中的一者或两者可以在包含活体组织120的身体的内部或外部。

如上面的简要描述，根据至少一个实施方式，器件10/100可以采用圆柱形胶囊的形式，所述圆柱形胶囊填充有包含在该胶囊内的液晶和磁性粒子。在这样的实现中，圆柱形胶囊的端部可以包含导电材料，以与器件10/100附近的组织有效地连接。出于本说明书的目的，术语“器件附近”是指在小于1毫米的距离内。该距离可以小得多，例如一微米或一纳米。此种导电材料的示例包括金、铂、聚吡咯或这些材料的复合材料。器件的一个或多个部分可以由诸如二氧化硅的绝缘材料构成。

图1示出了导电帽20和导电帽60。应当理解，可以不需要这些导电帽中的一者或两者来在组织120上施加电场。

应当理解，根据公开的创新的至少一个示例性操作，多个器件10/100可以被施用到、引入到或放置在活体组织内。例如，为了改变人或其它动物的外围神经中的电活动，可以通过静脉注射数十亿个器件。如weinberg,i.等人于2012年在加州的阿纳海姆(anaheim，ca)召开的ieee医学影像会议(ieeemedicalimagingmeeting)中的“non-invasiveimage-guidedbrainaccesswithgradientpropulsionofmagneticnanoparticles”(其全部内容通过引用并入本文)中所教导的，可以在鼻内施用所述器件以便进入大脑，或通过其它方式(例如，通过静脉内、鞘内、颅内或其它形式的注射进入身体)。

由于所述装置(包含器件)和方法可以用于调节活体组织中的电活动而不需要实体连接件(例如，电线、导线或常规已知的电极)，因此，通过该装置(包含器件)和方法提供了技术效用。出于本说明书的目的，该特性被称为“不受约束”。

应当理解，器件10/100可以如上所述与其它部件(例如，计算机处理器)结合使用。此外，公开的装置可以包括、利用用于产生磁场和/或电磁场的电源和/或线圈，或与用于产生磁场和/或电磁场的电源和/或线圈结合使用，以便产生电场。因此，尽管本文未详细示出，但应当理解，公开的实施方式可以与支撑结构结合使用，该支撑结构可以保持线圈以在活体组织内激发器件10/100，其中，该支撑结构包括用于施加电场的线圈以及可选地能够定位和监测活体组织中的器件10/100和/或活体组织本身的成像系统。此外，应当理解，未示出相关的显示系统，但是应该理解，存在显示系统以便观察由成像系统产生的图像。

应当理解，本文阐明的操作可以与一个或多个通用计算机结合或在其控制下实现，所述一个或多个通用计算机运行用于提供本文公开的功能并将这些计算机转换成专用计算机的软件算法。

此外，考虑到上述教导，本领域技术人员将认识到，上述示例性实施方式可以基于用合适的计算机程序编程的一个或多个编程处理器的使用。然而，可以使用硬件部件等同设备(诸如专用硬件)和/或专用的处理器来实现公开的实施方式。类似地，通用计算机、基于微处理器的计算机、微控制器、光学计算机、模拟计算机、专用处理器、专用电路和/或专用硬件实现的逻辑可以用于构建可替选的等同实施方式。

此外，应当理解，可以使用可存储在有形的非暂时性存储设备(诸如存储指令的非暂时性计算机可读存储设备)中的软件指令来提供上述部件的控制和协作，当在一个或多个编程处理器上执行时，该软件指令执行上述描述的方法操作和产生的功能。在这种情况下，术语“非暂时性”旨在排除发送的信号和传播波，但不排除可擦除或依赖于电源以保留信息的存储设备。

考虑到上述教导，本领域技术人员将理解，用于实现上述特定实施方式的程序操作、进程以及相关数据可以使用磁盘存储器以及其它形式的存储设备来实现，其它形式的存储设备包括但不限于非暂时性存储介质(其中非暂时性旨在仅用于排除传播信号而不排除暂时性的信号，因为暂时性的信号是通过移除电源或明确的消除动作来擦除的)，所述非暂时性存储介质诸如例如只读存储器(rom)设备、随机存取存储器(ram)设备、网络存储设备、光存储元件、磁存储元件、磁光存储元件、闪存、核心存储器和/或其它等同的不脱离特定实施方式的易失性和非易失性存储技术。这样的替选存储设备应被视为等同设备。

尽管已经描述了特定的示例性实施方式，但是根据上述描述，很多替选、修改、排列和变化对于本领域技术人员将变得显而易见。因此，如上所述的各种实施方式旨在是示例性的而非限制性的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种改变。