一种可注射电刺激治疗水凝胶电池及其制备方法

本发明涉及水凝胶电池制备，具体涉及一种可注射电刺激治疗水凝胶电池及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，先进材料/电子与制造技术的发展加速了生物电子设备的发展，生物电子设备迅速扩展并被广泛用于医疗监测和临床治疗。研究人员证实，生物电子设备具有重要的临床应用，如神经元和心脏刺激，可有效缓解癫痫、阿尔茨海默病、帕金森病、抑郁症等多种异常神经行为；同时，电刺激也被证明其在促进受损组织的修复，尤其是神经系统修复中具有重要作用；电刺激在临床医学中的积极作用，激发了生物电子储能/供应组合装置的发展，目前广泛应用于临床试验、辅助治疗技术和人体保健设备。

2、然而，目前多数电刺激治疗仍处于体外应用，少数植入式或介入式供电或提供电刺激的装置，仍以与人体组织柔软和高含水的组织器官完全不通的刚性和静态的电池为主，这些电池仍需手术取出并更换，不仅增加了患者的痛苦和经济负担，还在一定程度上导致手术创面过大，增大了伤口感染的风险。此外，生物组织能够承受高动态和机械应力，例如，在传统姿势的锻炼过程中，皮肤、肌肉和周围神经可能会承受30％的拉伸应变和位移；心脏和血管在心血管活动过程中，会经历持续的周期性机械变形。因此，目前植入式的电源系统还面临植入后由于生理应力环境而产生位移的问题。针对这些问题，进一步有效适应人体生理环境，实现精准电刺激治疗，可注射的具有湿粘附性、可生物降解性的水凝胶电池提供了一种行之有效的替代方案。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种可注射电刺激治疗水凝胶电池及其制备方法，以解决现有技术中缺乏能有效适应人体生理环境、实现精准电刺激治疗水凝胶电池的问题。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：提供一种可注射电刺激治疗水凝胶电池的制备方法，包括以下步骤：

3、(1)导电负极纳米填料：将聚乙烯醇溶解到去离子水中，加入氧化剂，于冰水浴条件下，加入吡咯和多酚单体，并搅拌，离心和洗涤，然后分散至去离子水中，得到导电负极纳米填料溶液；

4、(2)导电负极水凝胶：将鱼明胶溶液和聚赖氨酸溶液混合均匀，加入步骤(1)制得的导电负极纳米填料溶液，形成混合溶液，加入氯化钠，然后加入谷氨酰胺转移酶，制得导电负极水凝胶；

5、(3)导电正极纳米填料：将空心介孔普鲁士蓝纳米颗粒和聚吡咯加入到去离子水中，超声，加入过硫酸铵溶液，静置，离心，分散至去离子水中，得到导电正极纳米填料溶液；

6、(4)导电正极水凝胶：将鱼明胶溶液和聚赖氨酸溶液混合均匀，加入步骤(3)制得的导电正极纳米填料溶液，形成混合溶液，然后加入谷氨酰胺转移酶，制得导电正极水凝胶；

7、(5)电池组装：将步骤(2)制得的导电负极水凝胶和步骤(4)制得的导电正极水凝胶贴合在一起，静置，制得可注射电刺激治疗水凝胶电池。

8、本发明的有益效果为：该电池的发电原理是钠离子电池原理，氧化后的多酚类醌基可与钠离子实现配位，普鲁士蓝则是钠离子电池常用的正极材料，聚赖氨酸具有良好的离子电导率。

9、在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

10、进一步，步骤(1)中，聚乙烯醇、氧化剂、多酚单体、吡咯和去离子水的质量体积比为1-2g：1-1.5g：0.04-0.06g：130-150μl：18-22ml。

11、进一步，步骤(1)中，聚乙烯醇、氧化剂、多酚单体、吡咯和去离子水的质量体积比为1.5g：1.2g：0.05g：140μl：20ml。

12、进一步，步骤(1)中，于80-100℃和搅拌条件下，将聚乙烯醇溶解到去离子水中，然后冷却到室温，再加入氧化剂。

13、进一步，步骤(1)中，于90℃和搅拌条件下，将聚乙烯醇溶解到去离子水中，然后冷却到室温，再加入氧化剂。

14、进一步，步骤(1)中，氧化剂为fecl3·6h2o。

15、进一步，步骤(1)中，多酚单体为单宁酸、没食子酸或多巴胺。

16、进一步，步骤(1)中，搅拌7-10h。

17、进一步，步骤(1)中，搅拌9h。

18、进一步，步骤(1)中，离心时采用乙醇和去离子水交替离心。

19、进一步，步骤(2)中，鱼明胶溶液、聚赖氨酸溶液和导电负极纳米填料溶液的体积比为1.4-1.6：0.3-0.6：1。

20、进一步，步骤(2)中，鱼明胶溶液、聚赖氨酸溶液和导电负极纳米填料溶液的体积比为1.5：0.4：1。

21、进一步，步骤(2)中，鱼明胶溶液的浓度为0.3-0.6g/ml。

22、进一步，步骤(2)中，鱼明胶溶液的浓度为0.4g/ml。

23、进一步，步骤(2)中，聚赖氨酸溶液的浓度为0.2-0.25g/ml。

24、进一步，步骤(2)中，聚赖氨酸溶液的浓度为0.225g/ml。

25、进一步，步骤(2)中，混合溶液中氯化钠的浓度为0.85-0.95wt％。

26、进一步，步骤(2)中，混合溶液中氯化钠的浓度为0.9wt％。

27、进一步，步骤(2)中，混合溶液中谷氨酰胺转移酶的浓度为0.5-1.2wt％。

28、进一步，步骤(2)中，导电负极水凝胶中纳米填料的浓度为3-6wt％。

29、进一步，步骤(2)中，导电负极水凝胶中纳米填料的浓度为3.9wt％。

30、进一步，步骤(3)中，空心介孔普鲁士蓝纳米颗粒通过以下方法制得：

31、s1：将铁氰化钾和聚乙烯吡咯烷酮加入到hcl溶液中，搅拌，静置反应，然后依次离心、水洗和冻干，制得介孔普鲁士蓝纳米颗粒；

32、s2：将步骤s1制得的介孔普鲁士蓝纳米颗粒分散于hcl溶液中，加入聚乙烯吡咯烷酮，搅拌均匀，反应，然后依次离心、水洗和冻干，制得空心介孔普鲁士蓝纳米颗粒。

33、进一步，步骤s1中，铁氰化钾、聚乙烯吡咯烷酮、hcl溶液的质量体积比为130-135mg：2-5g：35-45ml。

34、进一步，步骤s1中，铁氰化钾、聚乙烯吡咯烷酮、hcl溶液的质量体积比为132mg：3g：40ml。

35、进一步，步骤s1中，hcl溶液的浓度为0.008-0.012mol/l。

36、进一步，步骤s1中，hcl溶液的浓度为0.01mol/l。

37、进一步，步骤s1中，搅拌0.4-0.6h。

38、进一步，步骤s1中，搅拌0.5h。

39、进一步，步骤s1中，于70-90℃条件下静置反应20-28h。

40、进一步，步骤s1中，于80℃条件下静置反应24h。

41、进一步，步骤s2中，介孔普鲁士蓝纳米颗粒、聚乙烯吡咯烷酮和hcl溶液的质量体积比为18-22mg：90-110mg：18-22ml。

42、进一步，步骤s2中，介孔普鲁士蓝纳米颗粒、聚乙烯吡咯烷酮和hcl溶液的质量体积比为20mg：100mg：20ml。

43、进一步，步骤s2中，hcl溶液的浓度为0.8-1.2mol/l。

44、进一步，步骤s2中，hcl溶液的浓度为1mol/l。

45、进一步，步骤s2中，于130-150℃条件下反应3-5h。

46、进一步，步骤s2中，于140℃条件下反应4h。

47、进一步，步骤(3)中，空心介孔普鲁士蓝纳米颗粒、聚吡咯、去离子水和过硫酸铵溶液的质量体积比0.04-0.06g：13-15μl：8-12ml：8-12ml。

48、进一步，步骤(3)中，空心介孔普鲁士蓝纳米颗粒、聚吡咯、去离子水和过硫酸铵溶液的质量体积比0.05g：14μl：10ml：10ml。

49、进一步，步骤(3)中，过硫酸铵溶液的浓度为0.11-0.12g/ml。

50、进一步，步骤(3)中，过硫酸铵溶液的浓度为0.116g/ml。

51、进一步，步骤(3)中，超声8-12min。

52、进一步，步骤(3)中，超声10min。

53、进一步，步骤(3)中，静置8-12min。

54、进一步，步骤(3)中，静置10min。

55、进一步，步骤(4)中，鱼明胶溶液、聚赖氨酸溶液和导电正极纳米填料溶液的体积比为1.4-1.6：0.3-0.6：1。

56、进一步，步骤(4)中，鱼明胶溶液、聚赖氨酸溶液和导电正极纳米填料溶液的体积比为1.5：0.4：1。

57、进一步，步骤(4)中，鱼明胶溶液的浓度为0.3-0.6g/ml。

58、进一步，步骤(4)中，鱼明胶溶液的浓度为0.4g/ml。

59、进一步，步骤(4)中，聚赖氨酸溶液的浓度为0.2-0.25g/ml。

60、进一步，步骤(4)中，聚赖氨酸溶液的浓度为0.225g/ml。

61、进一步，步骤(4)中，混合溶液中谷氨酰胺转移酶的浓度为0.5-1.2wt％。

62、进一步，步骤(4)中，导电正极水凝胶中导电正极纳米填料的浓度为3-6wt％。

63、进一步，步骤(4)中，导电正极水凝胶中导电正极纳米填料的浓度为3wt％。

64、进一步，步骤(5)中，将步骤(2)制得的导电负极水凝胶和步骤(4)制得的导电正极水凝胶采用双管道同时注射，完成贴合过程。

65、进一步，步骤(5)中，将步骤(2)制得的导电负极水凝胶静置，然后在表面注射步骤(4)制得的导电正极水凝胶，静置，制得可注射电刺激治疗水凝胶电池。

66、本发明还提供上述方法制得的可注射电刺激治疗水凝胶电池。

67、本发明具有以下有益效果：

68、1、本技术基于自粘附酚醌基化学机理，实现水粘胶长期稳定的自粘附性，可粘附于人体组织表面，保证其功能的稳定性。

69、2、本发明通过利用导电聚合物实现水凝胶的导电性，并利用钠离子电池原理、人体富含离子的生理环境和水凝胶的特性，设计可注射电刺激治疗水凝胶电池，具有优异电性能，可注射到特定部位实现精准的电刺激治疗。

70、3、本发明通过利用不同可降解高分子单体，实现水凝胶电池的体内降解，在完成特定点刺激治疗后实，现电池的降解和吸收，不造成任何二次创伤、炎症和排异反应。

71、4、本发明的水凝胶电池具有可注射性、湿粘附性、可生物降解性，能够用于电刺激治疗，具有良好的应用人体力学环境的机械性能、湿润人体组织表面粘附性和电学性能，可精准贴合并固定在伤口附近，实现精准电刺激促进组织修复，同时该水凝胶电池具有可降解性，在降解过程中完成电刺激治疗。可以注射到人体组织特定部位，针对伤口进行电刺激治疗，并在治疗过程完成后降解并代谢出体外，能够应用于体内外电刺激医疗保健领域。

72、5、本技术水凝胶电池的注射方案：将导电负极纳米填料注入可注射水凝胶中，然后，用注射器将导电负极水凝胶注射至患处；再将导电正极纳米填料注入可注射水凝胶中，最后用注射器将导电正极水凝胶注射至同一患处，以实现正负极的紧密贴合，从而能够连接外部负载，实现放电。

73、6、本技术水凝胶电池的结构：电池在结构上采用同种水凝胶作为电池正极材料和负极材料的载体，实现了电池结构的一体化，同时还利用水凝胶的离子导电特性，规避了隔膜层的使用，利于水凝胶电池的注射和快速成型。