一種基于聚合物水凝膠的電能及信號(hào)無線傳輸系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于聚合物水凝膠的電能及信號(hào)無線傳輸系統(tǒng)，屬于生物與柔性電子材料技術(shù)領(lǐng)域。所述電能及信號(hào)無線傳輸系統(tǒng)包括能量與信號(hào)外部發(fā)射裝置、能量與信號(hào)內(nèi)部接收裝置，所述能量與信號(hào)內(nèi)部接收裝置中的線圈為聚合物水凝膠線圈。本發(fā)明所述電能及信號(hào)無線傳輸系統(tǒng)中的聚合物水凝膠導(dǎo)線與金屬導(dǎo)線比，具有生物相容性，長期使用也不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生負(fù)面影響。
【專利說明】
一種基于聚合物水凝膠的電能及信號(hào)無線傳輸系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于聚合物水凝膠的電能及信號(hào)無線傳輸系統(tǒng)，屬于生物與柔性 電子材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，新一代植入式醫(yī)療電子設(shè)備逐漸成為全球醫(yī)療研發(fā)的熱點(diǎn)。植入式電子 系統(tǒng)是一類埋置在生物體或是人體內(nèi)的電子設(shè)備，其主要功能是測量生命體內(nèi)的生理、生 化參數(shù)的變化規(guī)律，診斷、治療某些疾病，實(shí)現(xiàn)在生命體內(nèi)自然狀態(tài)下的體內(nèi)直接測量功 能，或者替代已喪失正常功能的器官。此類系統(tǒng)主要包括:各類植入式測量系統(tǒng)、植入式刺 激器、植入式藥物釋放裝置、植入式人工器官及輔助裝置等。
[0003] 植入式微系統(tǒng)均需要一個(gè)供能單元來負(fù)責(zé)整個(gè)植入器件的能量供應(yīng)。傳統(tǒng)的一次 性電池供能方式在可持續(xù)性、安全性、能量大小和體積重量等方面難以滿足要求。電池能量 耗盡之前必須更換電池，不僅增加手術(shù)費(fèi)用，也增加了病人痛苦及手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。為解決此難 題，以電磁耦合原理為基礎(chǔ)的無線能量傳輸技術(shù)正在被逐步應(yīng)用于植入式電子設(shè)備。到目 前為止，所有關(guān)于此技術(shù)的研究和產(chǎn)品均是基于金屬感應(yīng)線圈。眾所周知，金屬的生物相容 性差，同時(shí)容易發(fā)生銹蝕引發(fā)感染，必須由生物相容的聚合物封裝后才能植入生物體。另 外，金屬的柔性、彈性等力學(xué)性能也難以滿足某些植入式器件的特殊要求。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明通過采用聚合物水凝膠導(dǎo)線代替金屬導(dǎo)線，既可以滿足植入式電子系統(tǒng)的 供能與信號(hào)傳輸要求，又可以防止人體對(duì)其的排斥反應(yīng)。
[0005] 本發(fā)明提供了一種基于聚合物水凝膠的電能及信號(hào)無線傳輸系統(tǒng)，所述電能及信 號(hào)無線傳輸系統(tǒng)包括能量與信號(hào)外部發(fā)射裝置、能量與信號(hào)內(nèi)部接收裝置，所述能量與信 號(hào)內(nèi)部接收裝置中的線圈為聚合物水凝膠線圈。
[0006] 本發(fā)明所述能量與信號(hào)內(nèi)部接收裝置優(yōu)選為包括聚合物水凝膠線圈、AC-DC變換 器、采集負(fù)載，所述聚合物水凝膠線圈與AC-DC變換器串聯(lián)構(gòu)成能量接收電路，所述聚合物 水凝膠線圈與采集負(fù)載串聯(lián)構(gòu)成信號(hào)接收電路，并且能量接收電路與信號(hào)接收電路共用同 一個(gè)聚合物水凝膠線圈。
[0007] 本發(fā)明所述聚合物水凝膠線圈優(yōu)選為聚合物水凝膠導(dǎo)線纏成的，所述聚合物水凝 膠導(dǎo)線的制備方法為將聚合物水凝膠反應(yīng)母液固化成直徑為0.1-0.8mm的導(dǎo)線形狀，得到 聚合物水凝膠導(dǎo)線。
[0008] 本發(fā)明所述聚合物水凝膠反應(yīng)母液的制備方法優(yōu)選為將聚合物溶于溶劑中，得到 聚合物水凝膠反應(yīng)母液;或?qū)⒏叻肿訂误w和聚合物中的至少一種與交聯(lián)劑、熱引發(fā)劑和催 化劑中的至少一種溶于溶劑中，得到聚合物水凝膠反應(yīng)母液；
[0009] 所述高分子單體為丙烯酰胺和丙烯酸中的至少一種；
[0010] 所述聚合物為殼聚糖、聚乙烯醇和明膠中的至少一種。
[0011]本發(fā)明所述固化的溫度優(yōu)選為40-70°C。
[0012]本發(fā)明有益效果為：
[0013] ①本發(fā)明所述電能及信號(hào)無線傳輸系統(tǒng)中的聚合物水凝膠導(dǎo)線與金屬導(dǎo)線比，具 有生物相容性，長期使用也不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生負(fù)面影響。
[0014] ②本發(fā)明所述電能及信號(hào)無線傳輸系統(tǒng)中的聚合物水凝膠導(dǎo)線與金屬導(dǎo)線比，具 有柔性和彈性，可以使用在金屬導(dǎo)線應(yīng)用不了的組織器官(例如:關(guān)節(jié)等）中。
[0015] ③本發(fā)明所述電能及信號(hào)無線傳輸系統(tǒng)中的聚合物水凝膠線圈可以為圓盤式聚 合物水凝膠線圈，也可以為圓柱式聚合物水凝膠線圈，當(dāng)能量與信號(hào)內(nèi)部接收裝置植入皮 下工作時(shí)，可采用圓盤式聚合物水凝膠線圈，以增加聚合物水凝膠線圈的正對(duì)面積，提高工 作效率；當(dāng)能量與信號(hào)內(nèi)部接收裝置植入內(nèi)腔(例如:膀胱、腸道等)工作時(shí)，可采用圓柱式 聚合物水凝膠線圈，以增加聚合物水凝膠線圈對(duì)體外磁場的感應(yīng)強(qiáng)度，提高工作效率。
[0016] ④當(dāng)本發(fā)明所述的聚合物水凝膠線圈與金屬線圈相同匝數(shù)比時(shí)，聚合物水凝膠導(dǎo) 線在頻率為10kHz附近時(shí)，由于自身固有的電容而產(chǎn)生諧振，導(dǎo)致電壓轉(zhuǎn)換比是金屬導(dǎo)線的 6倍以上，可以減少額外的電容元件使用。
【附圖說明】
[0017]本發(fā)明附圖1幅，
[0018] 圖1為頻域坐標(biāo)下電壓轉(zhuǎn)化比。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下述非限制性實(shí)施例可以使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以 任何方式限制本發(fā)明。
[0020] 下述生理鹽水的質(zhì)量濃度為0.9%。
[0021] 下述聚乙烯醇的平均聚合度為1700-1800。
[0022] 實(shí)施例1
[0023] -種基于聚合物水凝膠的電能及信號(hào)無線傳輸系統(tǒng)，所述電能及信號(hào)無線傳輸系 統(tǒng)包括能量與信號(hào)外部發(fā)射裝置、能量與信號(hào)內(nèi)部接收裝置，所述能量與信號(hào)內(nèi)部接收裝 置包括聚合物水凝膠線圈、AC-DC變換器、采集負(fù)載，所述聚合物水凝膠線圈與AC-DC變換器 串聯(lián)構(gòu)成能量接收電路，所述聚合物水凝膠線圈與采集負(fù)載串聯(lián)構(gòu)成信號(hào)接收電路，并且 能量接收電路與信號(hào)接收電路共用同一個(gè)聚合物水凝膠線圈；
[0024] 所述聚合物水凝膠線圈的制備方法包括如下步驟：
[0025]①將高分子單體丙烯酰胺加入到生理鹽水中混勻，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.42%的丙 烯酰胺溶液；
[0026]②將交聯(lián)劑N，N'_亞甲基雙丙烯酰胺、熱引發(fā)劑過硫酸銨與催化劑 甲基乙二胺加入到丙烯酰胺溶液中混勻，得到水凝膠反應(yīng)母液;所述N，N'_亞甲基雙丙烯酰 胺與丙烯酰胺的重量比為6:10000,所述過硫酸銨與丙烯酰胺的重量比為1:10000,所述N， N，N'，N'_四甲基乙二胺與生理鹽水的體積為5:10000;
[0027]③將水凝膠反應(yīng)母液注入內(nèi)徑為0.5mm的毛細(xì)管中，40°C加熱lh，得到水凝膠導(dǎo) 線；
[0028]④將水凝膠導(dǎo)線纏成聚合物水凝膠線圈，所述線圈的直徑為20mm，所述線圈的匝 數(shù)為50匝。
[0029] 實(shí)施例2
[0030] -種基于聚合物水凝膠的電能及信號(hào)無線傳輸系統(tǒng)，與實(shí)施例1的區(qū)別為:所述聚 合物水凝膠線圈的制備方法包括如下步驟：
[0031 ]①將低聚物殼聚糖加入到0 . lmol/L鹽酸溶液中混勻，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的殼聚 糖溶液；
[0032]②將低聚物聚乙烯醇加入到生理鹽水中混勻，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 %的聚乙烯醇溶 液；
[0033]③將殼聚糖溶液在冰浴條件下攪拌加入聚乙烯醇溶液，再向其加入0.5mol/L碳酸 氫鈉溶液調(diào)節(jié)pH至7,得到水凝膠反應(yīng)母液;所述殼聚糖與聚乙烯醇的重量比為2:1;
[0034]④將水凝膠反應(yīng)母液注入內(nèi)徑為0.5mm的毛細(xì)管中，40°C加熱lh，得到水凝膠導(dǎo) 線；
[0035] ⑤將水凝膠導(dǎo)線纏成聚合物水凝膠線圈，所述線圈的直徑為20mm，所述線圈的匝 數(shù)為50匝。
[0036] 實(shí)施例3
[0037] -種基于聚合物水凝膠的電能及信號(hào)無線傳輸系統(tǒng)，與實(shí)施例1的區(qū)別為:所述聚 合物水凝膠線圈的制備方法包括如下步驟：
[0038]①將低聚物明膠加入到生理鹽水中混勻，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的明膠溶液；
[0039] ②將交聯(lián)劑戊二醛加入到明膠溶液中，得到水凝膠反應(yīng)母液;所述戊二醛與明膠 的重量比為6:10000;
[0040] ③將水凝膠反應(yīng)母液注入內(nèi)徑為0.5mm的毛細(xì)管中，40°C加熱lh，得到水凝膠導(dǎo) 線；
[0041] ④將水凝膠導(dǎo)線纏成聚合物水凝膠線圈，所述線圈的直徑為20mm，所述線圈的匝 數(shù)為50匝。
[0042] 實(shí)施例4
[0043] -種基于聚合物水凝膠的電能及信號(hào)無線傳輸系統(tǒng)，與實(shí)施例1的區(qū)別為:所述聚 合物水凝膠線圈的制備方法包括如下步驟：
[0044]①將低聚物聚乙烯醇加入到生理鹽水中混勻，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的聚乙烯醇溶 液；
[0045] ②將交聯(lián)劑戊二醛、2mo 1/L的催化劑硫酸溶液加入到聚乙烯醇溶液中混勻，得到 水凝膠反應(yīng)母液;所述戊二醛與聚乙烯醇的重量比為1:80,所述硫酸溶液與生理鹽水的體 積比為1:2000;
[0046] ③將水凝膠反應(yīng)母液注入內(nèi)徑為0.5mm的毛細(xì)管中，50°C加熱lh，得到水凝膠導(dǎo) 線；
[0047]④將水凝膠導(dǎo)線纏成聚合物水凝膠線圈，所述線圈的直徑為20mm，所述線圈的匝 數(shù)為50匝。
[0048] 實(shí)施例5
[0049] -種基于聚合物水凝膠的電能及信號(hào)無線傳輸系統(tǒng)，與實(shí)施例1的區(qū)別為:所述聚 合物水凝膠線圈的制備方法包括如下步驟：
[0050] ①利用乙酸將生理鹽水的pH調(diào)節(jié)至5,再將低聚物殼聚糖加入其中，混勻，得到質(zhì) 量分?jǐn)?shù)為1 %的殼聚糖溶液；
[0051] ②將高分子單體丙烯酸、熱引發(fā)劑過硫酸銨與交聯(lián)劑N，N-亞甲基雙丙烯酰胺加入 到殼聚糖溶液中混勻，得到水凝膠反應(yīng)母液;所述丙烯酸與生理鹽水的體積比為1:20,所述 過硫酸銨與殼聚糖的重量比為10:1，所述N，N-亞甲基雙丙烯酰胺與殼聚糖的重量比為5:1; [0052]③將水凝膠反應(yīng)母液注入內(nèi)徑為0.5mm的毛細(xì)管中，60°C加熱3h，得到水凝膠導(dǎo) 線；
[0053]④將水凝膠導(dǎo)線纏成聚合物水凝膠線圈，所述線圈的直徑為20mm，所述線圈的匝 數(shù)為50匝。
[0054] 測試實(shí)施例1-5所述的聚合物水凝膠線圈的電磁感應(yīng)性能，其結(jié)果見表1。
[0055] 表1實(shí)施例1-5所述的聚合物水凝膠線圈的電磁感應(yīng)性能測試結(jié)果
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于聚合物水凝膠的電能及信號(hào)無線傳輸系統(tǒng)，其特征在于:所述電能及信號(hào) 無線傳輸系統(tǒng)包括能量與信號(hào)外部發(fā)射裝置、能量與信號(hào)內(nèi)部接收裝置，所述能量與信號(hào) 內(nèi)部接收裝置中的線圈為聚合物水凝膠線圈。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電能及信號(hào)無線傳輸系統(tǒng)，其特征在于:所述能量與信號(hào)內(nèi)部 接收裝置包括聚合物水凝膠線圈、AC-DC變換器、采集負(fù)載，所述聚合物水凝膠線圈與AC-DC 變換器串聯(lián)構(gòu)成能量接收電路，所述聚合物水凝膠線圈與采集負(fù)載串聯(lián)構(gòu)成信號(hào)接收電 路，并且能量接收電路與信號(hào)接收電路共用同一個(gè)聚合物水凝膠線圈。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電能及信號(hào)無線傳輸系統(tǒng)，其特征在于:所述聚合物水凝膠線 圈為聚合物水凝膠導(dǎo)線纏成的，所述聚合物水凝膠導(dǎo)線的制備方法為將聚合物水凝膠反應(yīng) 母液固化成直徑為〇. 1-0.8mm的導(dǎo)線形狀，得到聚合物水凝膠導(dǎo)線。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電能及信號(hào)無線傳輸系統(tǒng)，其特征在于:所述聚合物水凝膠反 應(yīng)母液的制備方法為將聚合物溶于溶劑中，得到聚合物水凝膠反應(yīng)母液;或?qū)⒏叻肿訂误w 和聚合物中的至少一種與交聯(lián)劑、熱引發(fā)劑和催化劑中的至少一種溶于溶劑中，得到聚合 物水凝膠反應(yīng)母液； 所述高分子單體為丙烯酰胺和丙烯酸中的至少一種； 所述聚合物為殼聚糖、聚乙烯醇和明膠中的至少一種。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電能及信號(hào)無線傳輸系統(tǒng)，其特征在于：所述固化的溫度為 40-70。。。
【文檔編號(hào)】H02J50/12GK105958662SQ201610309203
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年5月11日
【發(fā)明人】嚴(yán)佳, 丁澤尊, 李小康, 譚力, 武湛君
【申請(qǐng)人】大連理工大學(xué)