CN101927057B - 起搏器及其起搏器电极 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种起搏器及起搏器电极，起搏器电极包括一本体以及一绝缘层。所述本体包括至少一碳纳米管线，所述碳纳米管线包括多个碳纳米管，碳纳米管沿本体的轴向排列并通过范德华力首尾相连；绝缘层包覆于本体的外表面。所述起搏器包括一脉冲发生器、一连接线及上述起搏器电极。
Description
技术领域
本发明涉及一种起搏器及其起搏器电极，尤其涉及一种基于碳纳米管的起搏器及其起搏器电极。
背景技术
巴金森疾病(Parkinson’s disease)是一种慢性的中枢神经系统失调疾病，病因目前仍不明，推测和脑细胞快速退化，而无法制造足够的神经传导物质多巴胺(Dopamine)有关。由于脑内需要多巴胺物质来达到指挥肌肉的活动，因此缺乏多巴胺会使病人产生活动障碍的症状，例如：震颤、僵直、运动迟缓等，进而影响了患者的生活质量。
目前，巴金森疾病除了药物治疗外，患者亦可利用外科手术植入一脑部起搏器(brain pacemaker)来缓和病人的不适症，通过脑部起搏器传递电子脉冲刺激脑部细胞的方法，达到以控制的方式改变脑部活动的目的。
如图1所示，现有脑部起搏器1包括一脉冲发生器10、一起搏器电极11以及一连接线12。脉冲发生器10是用以产生电脉冲信号；起搏器电极11一般由多条铂金属电极线构成，电极线表面包覆有绝缘层，电极线一端形成有一不包覆绝缘层的铂金属刺激触点，放置于脑部特定区域，用于传递电脉冲信号以刺激脑细胞；连接线12为一包覆有绝缘材料的电导线，用于连接起搏器电极11与脉冲发生器10；脉冲发生器10设置于患者身上，通过经颈部绕到耳后的连接线12与起搏器电极11相连。脉冲发生器10由一电池驱动而产生电脉冲信号，信号藉由连接线12、起搏器电极11传递到脑部特定区域后释放，从而干涉神经细胞的活动以调节神经传导物质的释放，达到改变脑部活动的目的。
由于现有技术中的起搏器电极11由铂金属电极线构成，因此（1）价格相对昂贵；（2）弹性不足，在活动中容易对人体组织造成损伤；（3）铂金属线做的越细，其电阻率显著增加，导致电脉冲信号减弱，从而对治疗效果产生影响；（4）现有技术下，铂金属线无法做得很细（如小于10微米），因此，可同时植入人体内的电极线数量有限，从而能一次同时治疗的区域有限，影响治疗效果；（5）铂金属抗腐蚀性较弱，在人体长期的活动中及体液的腐蚀下，易出现接触不良等现象，导致起搏器寿命缩短或治疗效果降低。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于碳纳米管的起搏器及其起搏器电极。
一种起搏器电极，包括至少一电极线，所述每一电极线由一本体以及一绝缘层构成，绝缘层包覆于本体表面，所述本体一末端具有一裸露部，其中，所述本体包括至少一碳纳米管线，所述每一碳纳米管线包括通过范德华力首尾相连的多个碳纳米管，且所述裸露部的碳纳米管线与人体细胞接触，以将电脉冲信号传递到人体细胞以刺激人体细胞。
一种起搏器，包括一脉冲发生器、一起搏器电极以及一连接线，所述脉冲发生器、连接线、起搏器电极依次以串联的方式电连接，所述起搏器电极包括至少一电极线，每一电极线由一本体以及一绝缘层构成，绝缘层包覆于本体表面，所述本体一末端具有一裸露部，其中，所述本体包括至少一碳纳米管线，所述每一碳纳米管线包括通过范德华力首尾相连的多个碳纳米管，且所述裸露部的碳纳米管线与人体细胞接触，以将电脉冲信号传递到人体细胞以刺激人体细胞。
一种起搏器，包括一脉冲发生器、一起搏器电极以及一连接线，所述脉冲发生器、连接线、起搏器电极依次以串联的方式电连接，所述起搏器电极包括至少一电极线，每一电极线由一本体以及一绝缘层构成，所述绝缘层包覆于所述本体表面，所述本体一末端具有一裸露部，所述连接线包括一线芯及一绝缘层，所述绝缘层包覆于线芯表面，其中，所述本体及线芯分别包括至少一碳纳米管线，所述每一碳纳米管线包括通过范德华力首尾相连的多个碳纳米管，且所述裸露部的碳纳米管线与人体细胞接触，以将电脉冲信号传递到人体细胞以刺激人体细胞。
与现有技术相比，本发明所述起搏器及其起搏器电极，起搏器电极由至少一碳纳米管线构成，因此具有以下优点：（1）使起搏器电极以及起搏器整体成本降低；（2）起搏器电极具有更好的弹性，从而不易损伤人体组织；（3）起搏器电极线具有更好的导电性，尤其是在起搏器电极线较细的情况下，仍然具有良好的导电性；（4）碳纳米管可以做得很细（如小于10微米），因此起搏器电极也可以做得很细，从而使得应用中可同时插入多条起搏器电极以刺激不同的治疗区域，达到更好的治疗效果；（5）起搏器电极具有更好的耐腐蚀性，能够延长起搏器的寿命并且保证治疗效果。
附图说明
图1是现有技术中起搏器的示意图。
图2是本发明第一实施例所述起搏器的示意图。
图3是本发明第一实施例所述起搏器电极的示意图。
图4是本发明第一实施例所述起搏器电极线的横截面示意图。
图5是非扭转的碳纳米管线的扫描电镜照片。
图6是扭转的碳纳米管线的扫描电镜照片。
图7是多条碳纳米管线紧密平行排列形成一束状结构的示意图。
图8是多条碳纳米管线相互缠绕形成一束状结构的示意图。
图9是本发明第一实施例所述起搏器连接线的示意图。
主要元件符号说明
起搏器 1,2
脉冲发生器 10,20
起搏器电极 11,21
连接线 12,22
电极线 211
连接端 212,223
固定件 213
固定环 213a
固定翼 213b
本体 2111
碳纳米管线 2111a
绝缘层 2112,222
裸露部 2113
线芯 221
具体实施方式
以下将结合附图详细说明本发明所述起搏器及其起搏器电极。
请参照图2所示，本发明第一实施例提供一种起搏器2，其包括一脉冲发生器20、一起搏器电极21以及一连接线22。所述连接线22用于电连接所述脉冲发生器20及起搏器电极21。所述脉冲发生器20发出的电脉冲信号通过所述连接线22与起搏器电极21作用于人体。
所述的脉冲发生器20包括外壳、电源、电脉冲发生电路、控制电路、接口等。所述外壳材料为钛金属，用于其内部结构，所述电源用于为脉冲发生器提供动力，电脉冲发生电路用于产生电脉冲信号，控制电路用于控制所述电脉冲发生电路以产生不同的电脉冲信号，所述接口用于与连接线22电连接。脉冲发生器产生的电脉冲信号藉由连接线22、起搏器电极21传递到脑部特定区域后释放，用于刺激标的细胞，例如脑部细胞C（如图2所示）或是心脏肌肉细胞。
请参照图3及图4，本实施例所述起搏器电极21包括至少一电极线211，进一步的，所述起搏器电极21可包括一连接端212以及一固定件213。所述连接端212以及固定件213分别套设于所述至少一电极线211相对的两端。所述连接端212为具有外螺纹的圆柱结构，其直径根据起搏器电极21直径的不同为1毫米至3毫米，其材料为铂金属或铂铱合金。所述起搏器连接端可固定于人体内如脑壳、靠近心脏的人体肌肉内等。所述电极线211可通过该连接端212与连接线22电连接。所述固定件213固定于所述电极线211的外表面，可嵌入到人体组织内，用于进一步固定所述起搏器电极21，防止起搏器电极21从人体内滑动、脱出。当所述起搏器电极21包括多条电极线211时，所述多条电极线211平行紧密排列形成一束状整体结构，连接端212及固定件213分别套设于所述束状整体结构相对的两端。
所述固定件213包括一固定环213a及多个固定翼213b，其材料可为聚氨酯（polyurethane）或高纯硅橡胶等具有生物兼容性的高分子材料。所述固定环213a为一圆筒状结构，所述固定翼213b为由该固定环213a的外表面向远离固定环213a的中心轴方向延伸的棒状结构，其轴向与固定环213a中心轴的夹角为30°至60°，且其延伸方向为背离固定件213所在的电极线211的一端，从而形成倒钩结构。所述固定件213植入人体后，固定翼213b被人体纤维组织包绕，从而进一步牢固的固定所述起搏器电极21。
所述每一电极线211由一本体2111与一绝缘层2112构成，所述绝缘层2112包覆于本体2111的外表面。所述本体2111一末端具有一裸露部2113，所述裸露部2113为所述本体2111从绝缘层2112暴露出来的部分，裸露部2113的长度可为0.5毫米至2毫米。裸露部2113作为起搏器电极21的刺激触点，刺激触点与人体细胞接触，将脉冲发生器20产生的电脉冲信号传递到人体细胞。所述固定件213设置于电极线211具有裸露部2113的一端。所述裸露部2113与固定件213之间的距离可为3毫米至5毫米。所述绝缘层2112为具有生物兼容性的高分子材料，如聚氨酯（polyurethane）、高纯硅橡胶等。所述绝缘层2112的厚度为1微米至50微米。
所述本体2111包括至少一碳纳米管线2111a，所述碳纳米管线2111a的直径范围约为1微米至200微米，形成所述本体2111直径范围为1微米至2毫米，优选的，所述本体2111的直径范围为1微米至10微米。所述碳纳米管线2111a可以为多根碳纳米管组成的非扭转的碳纳米管线或扭转的碳纳米管线。
如图5所示，该非扭转的碳纳米管线包括多个沿碳纳米管线轴向延伸并首尾相连的碳纳米管。优选的，该非扭转的碳纳米管线包括多个碳纳米管片段。该多个碳纳米管片段通过范德华力（Van de Waals Force）首尾相连。每一碳纳米管片段包括多个相互平行并通过范德华力紧密结合的碳纳米管，且多个碳纳米管沿所述碳纳米管线的轴向择优取向延伸，所述碳纳米管可为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管，或者是其组合。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。
如图6所示，该扭转的碳纳米管线包括多个绕碳纳米管线轴向螺旋延伸的碳纳米管。优选的，该扭转的碳纳米管线包括多个碳纳米管片段。该多个碳纳米管片段通过范德华力首尾相连。每一碳纳米管片段包括多个相互平行并通过范德华力紧密结合的碳纳米管，且多个碳纳米管沿所述碳纳米管线的轴向螺旋状旋转延伸，所述碳纳米管可为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管或多壁碳纳米管，或者是其组合。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。
所述碳纳米管线可通过拉伸一碳纳米管阵列的方法制备，主要包括以下步骤：
首先，制备碳纳米管阵列，主要包括：（a）提供一平整基底，该基底可选用P型或N型硅基底，或选用形成有氧化层的硅基底，本实施例优选为采用4英寸的硅基底；（b）在基底表面均匀形成一催化剂层，该催化剂层材料可选用铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）或其任意组合的合金之一；（c）将上述形成有催化剂层的基底在700～900℃的空气中退火约30分钟～90分钟；（d）将处理过的基底置于反应炉中，在保护气体环境下加热到500～740℃，然后通入碳源气体反应约5～30分钟，生长得到碳纳米管阵列，其高度大于100纳米，优选为100纳米～10毫米。在本实施例中，所述的碳纳米管阵列可以是单壁碳纳米管阵列、双壁碳纳米管阵列、多壁碳纳米管阵列或其混合物，该碳纳米管阵列为多个彼此平行且垂直于基底生长的碳纳米管形成的纯碳纳米管阵列。可以理解，所述碳纳米管阵列的制备方法还可以为电弧放电法、激光蒸发法等其它方法。
其次，制备非扭转或扭转的碳纳米管线，其中，制备非扭转的碳纳米管线主要包括：（a）从碳纳米管阵列中选取多个碳纳米管，在本实施例中，采用具有一特定宽度的胶带、一镊子或一针尖接触碳纳米管阵列以选定多个碳纳米管；（b）以一特定速度沿垂直于碳纳米管阵列生长方向拉伸所述多个碳纳米管，所述的多个碳纳米管在拉力作用下沿拉伸方向逐渐脱离碳纳米管阵列的基底，并且由于范德华力作用，选定的多个碳纳米管分别与相邻的其它碳纳米管首尾相连地连续地被拉出，从而形成碳纳米管线结构。
而制备扭转的碳纳米管线的方法为，将通过上述方法制备的碳纳米管线结构粘附有拉伸工具的一端固定于一旋转电机上，扭转该碳纳米管线结构，从而形成一扭转的碳纳米管线。进一步的，可将通过上述方法制备的非扭转或扭转的碳纳米管线通过有机溶剂，或者通过高聚合物溶液处理形成碳纳米管线聚合物，以进一步提高碳纳米管线的强度。
请参阅图7及图8，当所述本体2111包括多条碳纳米管线2111a时，所述多条碳纳米管线2111a可紧密平行排列形成一束状结构或以相互缠绕形成一束状结构。图7为本发明所述本体2111由多条碳纳米管线2111a紧密平行排列形成一束状结构的示意图。图8为本发明所述本体2111由多条碳纳米管线2111a以零螺距的方式沿起搏器电极21的轴向螺旋状并行旋转排列形成束状结构的示意图。
图8所示的由多条碳纳米管线螺旋状旋转排列形成束状结构的本体2111可通过以下方法制备：将所述多条碳纳米管线2111a沿一支撑轴（图未示）轴向以零螺距的方式并行旋转排列，然后抽去支撑轴的方式形成；也可通过将多条碳纳米管线2111a一端固定，然后扭转多条碳纳米管线2111a另一端的方式形成；亦可通过以相反方向的力同时扭转多条碳纳米管线2111a的两端形成。由于起搏器电极21中的碳纳米管线2111a为螺旋状旋转排列结构，因此使起搏器电极21具有适当的强度，并使所述的起搏器电极21在一定的强度下仍然具有较好的弹性。
请参照图9，本实施例所述连接线22包括一线芯221、一绝缘层222，所述绝缘层222包覆于所述线芯221的外表面，其材料和厚度与前面所述绝缘层2112的材料相同。进一步的，所述连接线22包括两连接端223，所述两连接端223分别位于所述连接线22相对的两端。所述线芯221可采用一金属线，其材料为铂金属或铂铱合金。或者，所述连接线22的线芯221可进一步采用与电极线211中本体2111相同的结构和材料。所述两连接端223为具有内螺纹的空心圆柱结构，其直径、螺纹螺距与所述起搏器电极21的连接端212相匹配，其材料为铂金属或铂铱合金。所述两连接端223均与连接线22电连接，其中一连接端用于与脉冲发生器20电连接，一连接端用于与起搏器电极21的连接端212电连接。即所述脉冲发生器20、连接线22以及起搏器电极21依次以串联的方式电连接。
实际生产中，所述连接线与起搏器电极也可以一体化制备形成一体结构，所述一体结构的直径可小于10微米。并且，一条连接线22可通过连接端223同时与多条起搏器电极21电连接，所述多条起搏器电极21可将其连接端固定于人体内如头骨或靠近心脏的人体肌肉组织内。
所述起搏器应用时，将起搏器电极的刺激触点与待治疗区域的细胞C接触，启动起搏器脉冲发生器，连接线将脉冲发生器产生的电脉冲信号传导到起搏器电极，然后起搏器电极将电脉冲信号传递到治疗区域的细胞C，达到刺激细胞的目的。根据病情需要，可同时使用多条起搏器电极，每条起搏器电极分别接触不同深度、不同位置的治疗区域。
本发明所述起搏器及其起搏器电极，起搏器电极由至少一碳纳米管线构成，因此，第一，可以使起搏器电极以及起搏器整体成本降低；第二，起搏器电极具有更好的弹性，从而不易损伤人体组织；第三，使起搏器电极具有更好的导电性，尤其是在起搏器电极较细的情况下，仍然具有良好的导电性；第四，碳纳米管可以做得很细（如小于10微米），因此起搏器电极也可以做得很细，从而使得应用中可同时插入多条起搏器电极以刺激不同的治疗区域，达到更好的治疗效果；第五，起搏器电极具有更好的耐腐蚀性，能够延长起搏器的寿命并且保证治疗效果。
本发明所述的起搏器可作为脑部起搏器（brain pacemaker）或是心脏起搏器（cardiac pacemaker）。
另外，本领域技术人员还可以在本技术方案精神内做其它变化，当然，这些依据本技术方案精神所做的变化，都应包含在本技术方案所要求保护的范围之内。
Claims (13)
1.一种起搏器电极，包括至少一电极线，所述每一电极线由一本体以及一绝缘层构成，所述绝缘层包覆于所述本体表面，所述本体一末端具有一裸露部，其特征在于，所述本体包括至少一碳纳米管线，所述每一碳纳米管线包括通过范德华力首尾相连的多个碳纳米管，且所述裸露部的碳纳米管线与人体细胞接触，以将电脉冲信号传递到人体细胞以刺激人体细胞。
2.如权利要求1所述的起搏器电极，其特征在于，所述多个碳纳米管沿碳纳米管线的轴向择优取向延伸。
3.如权利要求1所述的起搏器电极，其特征在于，所述多个碳纳米管绕碳纳米管线的轴向螺旋状延伸。
4.如权利要求1所述的起搏器电极，其特征在于，所述的碳纳米管线的直径为1微米至200微米。
5.如权利要求1所述的起搏器电极，其特征在于，所述本体的直径为1微米至2毫米。
6.如权利要求5所述的起搏器电极，其特征在于，所述本体的直径为1微米至10微米。
7.如权利要求1所述的起搏器电极，其特征在于，所述起搏器电极包括多条平行紧密排列的电极线。
8.如权利要求1所述的起搏器电极，其特征在于，所述本体包括多条碳纳米管线。
9.如权利要求8所述的起搏器电极，其特征在于，所述多条碳纳米管线紧密平行排列形成一束状结构。
10.如权利要求8所述的起搏器电极，其特征在于，所述多条碳纳米管线相互缠绕形成一束状结构。
11.如权利要求1所述的起搏器电极，其特征在于，所述绝缘层的厚度为1微米至50微米。
12.一种起搏器，包括一脉冲发生器、一起搏器电极以及一连接线，所述脉冲发生器、连接线、起搏器电极依次以串联的方式电连接，所述起搏器电极包括至少一电极线，每一电极线由一本体以及一绝缘层构成，所述绝缘层包覆于所述本体表面，所述本体一末端具有一裸露部，其特征在于，所述本体包括至少一碳纳米管线，所述每一碳纳米管线包括通过范德华力首尾相连的多个碳纳米管，且所述裸露部的碳纳米管线与人体细胞接触，以将电脉冲信号传递到人体细胞以刺激人体细胞。
13.一种起搏器，包括一脉冲发生器、一起搏器电极以及一连接线，所述脉冲发生器、连接线、起搏器电极依次以串联的方式电连接，所述起搏器电极包括至少一电极线，每一电极线由一本体以及一绝缘层构成，所述绝缘层包覆于所述本体表面，所述本体一末端具有一裸露部，所述连接线包括一线芯及一绝缘层，所述绝缘层包覆于线芯表面，其特征在于，所述本体及线芯分别包括至少一碳纳米管线，所述每一碳纳米管线包括通过范德华力首尾相连的多个碳纳米管，且所述裸露部的碳纳米管线与人体细胞接触，以将电脉冲信号传递到人体细胞以刺激人体细胞。
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