自感應的支架、基於智能材料的支架、藥物投送系統、其它的醫療裝置，以及壓電材料的醫...的製作方法

2023-07-05 22:29:31

專利名稱：自感應的支架、基於智能材料的支架、藥物投送系統、其它的醫療裝置，以及壓電材料的醫 ...的製作方法
自感應的支架、基於智能材料的支架、 藥物投送系統、其它的醫療裝置，以及壓電材料的醫學應用發明領域本發明總的來說涉及醫學領域，具體來說涉及了支架。 發明背景一般來說，支架是金屬的或聚合物的。支架的插入通過維持動脈 張開來改善通過動脈的血液流通。支架被插入到動脈中，通過可充氣 的氣球擴展塑形。支架在設計上歷經了許多變化，包括製造它們所使 用的材料。例子包括新的藥物流出支架，它從內部部件或腔體表面分泌化合物以防止阻塞。其它的設計包括摻入特殊的材料例如NiTl金屬， 這是一種在通過其轉變溫度時表現出很大張力的塑形記憶合金 (SMA) 。 SMA支架可以被插入到血管中，受到體溫的作用而擴展到 所需的尺度。儘管有這些變化，生物材料與流過的血液的界面的複雜性仍然是 個問題。由支架中血凝的發生導致的支架的部分或完全堵塞仍然可能 發生。當帶有支架的患者抱怨胸痛時，它們的支架的張開問題是極其 重要的。通常情況下，必須對這些患者進行冠狀血管造影術以確定支 架的張開狀態。現在，支架也被放置在非血管的結構中。目前這些結構包括呼吸 系統的氣體通道、泌尿系統的各種通道以及腸胃道的各種通道。發明內容本發明極大地改進了醫學支架技術，為上面討論的挑戰性問題提 供了解決方法。本發明的一個目標是使用新的材料和方法，該方法允 許檢査支架以確定其張開，特別是非侵入性檢查。含有至少一種壓電材料的醫學可植入的支架可以有利地具有例如 下面的一種或多種活性給它所植入的患者投送抗凝結作用或其它治 療作用；給它自己供電；和/或給遠程裝置發射輸出的電子信號。當支 架可以發出這樣的輸出信號時，醫生可以非侵入性地確定支架附近的 組織的狀況。在一個優選實施方案中，本發明提供了抗凝結和/或抗粘附的支 架，含有可植入活的患者的支架，該支架含有至少一個產生負電荷 的表面(例如含有至少一種壓電材料的產生負電荷的表面，該壓電材 料的布置取向使其能夠產生某些負電荷)，並且該支架給它所植入的 患者投送抗凝結作用和/或抗粘附作用，例如含有至少一個產生信號的 元件(例如產生可記錄的信號的產生信號的元件)的支架；含有壓電 材料的支架；藥物流出支架；智能支架；含有能夠在1到2英尺或更 長的距離範圍內發射電信號的信號發射器的支架；含有可記錄的電壓 輸出的支架，其中可記錄的電壓信號與支架被安置的組織的至少一種 功能或性質(例如流速、壓力、外力、溫度等)成比例；含有至少一 種壓電材料和從壓電材料與和壓電材料接觸的物質的相互作用產生的 可記錄的電壓輸出的支架；自身供電的支架(例如含有至少一種藥物 或其它可以從支架釋放的物質以及釋放物質的釋放機構的支架，其中 的釋放機構由壓電材料與支架被安置的組織的相互作用來供電)；含 有PVDF，或PVDF與三氟乙烯(TrFE)、四氟乙烯(TFE)的共聚物、 PVDF碳納米管複合材料，PVDF納米粘土複合材料，鋯鈦酸鉛陶瓷等 的支架；含有控制電壓的施加(例如以可控制的頻率控制電壓的施加 以產生表面振動，通過消除阻塞或防止阻塞來控制壓電材料與血液(或 其它流體)的相互作用)的電壓控制器的支架；等等。在另一個優選實施方案中，本發明提供了在患者中產生抗凝結作 用和/或抗粘附作用的方法，包括下列步驟在患者中植入含有產生負 電荷的表面的支架(例如含有壓電材料的支架、含有PVDF，或PVDF 與三氟乙烯(TrFE)、四氟乙烯(TFE)的共聚物，PVDF碳納米管復 合材料，PVDF納米粘土複合材料，鋯鈦酸鉛陶瓷等的支架等)。植入 步驟的例子是例如植入藥物流出支架、植入心臟支架、植入冠狀動脈 支架、植入血管支架、植入氣道支架、植入腸胃道支架、植入泌尿科 支架、植入智能支架、等等。在另一個優選實施方案中，本發明提供了智能支架系統，包括 (a)可植入到活的患者中的智能支架，含有壓電材料並產生可記錄的信 號；以及(b)在物理上與智能支架分離開的信號接收器，在約1到2英 尺或更遠的距離範圍內接收智能支架傳來的可記錄的信號，例如其中 的接收器是無線的並直接或無線地與濾波器、放大器和監測器(例如 計算機、個人數字輔助裝置等)連接的智能支架系統；其中的智能支 架含有至少一個無源元件(例如控制電壓擺幅的二極體電橋、電壓調 節器等)的智能支架系統；其中的智能支架含有高密度可充電電池、 濾波器、放大器和A/D轉換器(微控制器)的智能支架系統；其中壓 電材料的電輸出為電池充電和/或為支架的至少一個部件供電的智能支 架系統；含有可記錄的支架發出的電壓輸出的智能支架系統，其中可 記錄的電壓輸出與支架被安置的組織的至少一種功能或性質成比例； 其中的支架含有至少一種壓電材料的智能支架系統，該系統含有從壓 電材料與和壓電材料接觸的物質的相互作用產生的可記錄的電壓輸 出；其中的支架為自身供電的智能支架系統；在支架中含有至少一種 可以從支架釋放的物質的智能支架系統，還含有釋放物質的釋放機構， 其中的釋放機構由壓電材料與支架被安置的組織的相互作用來供電； 含有產生負電荷的支架的智能支架系統；含有抗凝結的支架的智能支 架系統；含有抗粘附的支架的智能支架系統；含有產生正電荷的支架 的智能支架系統；含有促凝血的的支架的智能支架系統；含有促粘附 的支架的智能支架系統；以及其它的智能支架系統。在另一個優選實施方案中，本發明還提供了含有壓電材料的支架， 當支架被植入活的患者時，支架是自身供電的，不需要單獨的電源， 例如在支架被植入的患者中幹擾不需要的凝結的支架；含有能夠發送 電子信號到支架外部的位點的信號發射器的支架，其中的信號包含了 與凝結有關的信息；含有可記錄的電壓輸出的支架，其中可記錄的電 壓輸出與支架被安置的組織的至少一種功能或性質成比例；含有至少 一種壓電材料的支架，含有從壓電材料與和壓電材料接觸的物質的相 互作用產生的可記錄的電壓輸出；還含有至少一種可以從支架釋放的 物質的支架，還含有釋放物質的釋放機構，其中的釋放機構由壓電材 料與支架被安置的組織的相互作用來供電；產生負電荷的支架；抗凝 結的支架；抗粘附的支架、產生正電荷的支架；促凝結的支架；促粘 附的支架；等等。在另一個實施方案中，本發明提供了構建智能支架系統的方法， 包括下列步驟(a)形成可植入的自身供電的支架結構，其中含有至少 一種壓電材料並可植入到患者中，形成的支架結構產生了信號，該信 號包含了與支架所放置的組織的至少一種功能或性質成比例的可記錄 的電壓輸出；(b)構建可以接收支架結構所產生的可記錄的電壓輸出的 接收裝置，其中的接收裝置可以與可植入的支架結構分開。例如在支 架中形成儲存庫的方法，該儲存庫用於容納可釋放的藥物或其它物質， 並具有由壓電材料產生的電能供電的釋放機構，該電能可以直接使用 或在用於驅動釋放機構之前被儲存或轉變；包含至少一種壓電材料的 方法，其中壓電材料的布置取向可以產生某些負電荷或正電荷；以及 其它的方法。在另一個優選實施方案中，本發明還提供了藥物投送系統，包括 含有至少一種壓電材料的容器，該容器含有孔洞以容納一定量的藥物 用於釋放到患者中，其中的容器可植入到活的患者中。例如含有藥物 的藥物投送系統；還含有基於壓電材料與患者的組織的相互作用並輸 出到遠程裝置的電子信號的藥物投送系統；含有遠程控制系統的藥物 投送系統，通過該遠程控制系統醫生可以遠程控制至少一種與容器中 包含的藥物的釋放有關的參數(例如通過其可以釋放藥物的孔隙的數 量；通過其可以釋放藥物的孔隙的大小；通過其可以釋放藥物的孔隙 的形狀；等等)。在另一個優選實施方案中，本發明提供了在患者中進行監測(例 如監測心肌功能和/或壓力等，監測肺動脈功能/壓力/流速/溫度等，監 測頸動脈功能/壓力/流速等，監測腦動脈功能/壓力/流速/溫度等)的方 法，包括(a)在患者中植入支架(例如含有至少一種壓電材料的支架、 自身供電的支架等)；(b)從支架接收與患者中的心肌功能/壓力和/或溫 度等、肺動脈功能/壓力/流速和/或溫度等、頸動脈功能/壓力/流速和/ 或溫度等或腦動脈功能/壓力/流速和/或溫度等有關的電子信號。在另一個優選實施方案中，本發明提供了能量獲取裝置，包含 含有至少一種可以放置在生物結構的區域中(例如活的患者的生物結 構中、活的生物體的生物結構中等)的壓電材料的能量獲取結構；以 及至少一個能量轉化或儲存元件，它從至少一種壓電材料與生物結構 的相互作用接收能量。例如含有支架的能量獲取裝置；含有壓電薄膜 的能量獲取裝置；含有可包裹在動脈或其它生物結構的周圍的包裹物 的能量獲取裝置；還含有監測元件的能量獲取裝置，使用該元件可以 通過電子信號報告生物結構的至少一種功能(例如流速、壓力、溫度 等)；其中生物結構的功能(例如流速、壓力、溫度等)通過電子信 號被報告給生物結構所位於的患者之外的裝置的能量獲取裝置；等等。在另一個優選實施方案中，本發明提供了能量獲取的方法，包括 將至少一種壓電材料放置在生物結構上、中或附近，通過與生物結構 發生壓電相互作用在其中產生能量；以及將從壓電相互作用產生的能 量轉化為可儲存的能量和/或可以用作動力的能量。例如在方法中還包 括監測生物結構的功能(例如流速、壓力、溫度等)的能量獲取方法 (例如監測生物結構的功能並包括將電子信號發送到患者之外)，等 等。


在參考下面的圖對本發明的優選實施方案進行更詳細的描述之 後，前述的以及其它的目的、特點和優點將得到更好的理解，其中圖1是本發明的支架系統的實施方案的方框圖。圖1A是對應於圖 1中的本發明的支架系統的方框圖，在該支架系統中還為醫生提供了遠 程控制支架的能力。圖2和圖3是用於本發明的支架系統的實施方案的相應的電路圖。圖4顯示了實施例2中的實驗性裝置的概要。圖5顯示了 PVDF對實施例2中連接到模擬的動脈(使用PDMS) 的樣品的電壓反應。下方曲線代表壓力；上方曲線代表電壓。圖6顯示了 PVDF對實施例2中與圖5相同的樣品的電荷反應。 下方曲線代表壓力；上方曲線代表電荷。圖7是實施例2中平均的最大電壓波幅值對壓力範圍的圖。圖7A 是對應於圖7的壓力、壓力範圍和平均的最大電壓波幅值的表格。圖8、 8A、 8B是分別與實施例2中的壓力範圍對平均最大電荷/ 面積差(圖8)、壓力範圍對平均最大電荷差(圖8A)和壓力範圍對 平均最大電流差(圖8B)相關的圖。圖9是本發明的能量獲取的實施方案的示意圖。本發明的優選實施方案的詳細描述參考從圖1開始的圖，可以對本發明有進一步的了解，但本發明 並不受這些圖的限制。支架(900)以至少下列一種方式、優選兩種方式 運作發送(92)輸出信號到遠處的信號接收器(902)，該信號含有與支架 (900)所植入的組織(901)有關的信息；以及/或賦予或投送(93)治療作用 給患者組織(901)。"遠處"我們是指信號接收器(902)與支架(900) 是分開的，也就是說接收器(902)不需要植入到患者中。遠處的信號 接收器(902)是本發明的特別有利的特點，因為關於植入的支架附近 或其中的環境(例如凝結的存在等)的信息可以被醫務人員(例如醫 生)在遠處並且非侵入性地了解到。
在圖1中，植入到組織(901)中的支架(900)從患者組織(901) 接收相互作用(91)，該相互作用(91)可以有利地產生下列一種或 多種效應支架(900)能夠發送電子信號(92)到遠處的信號接收器 (902);和/或支架(900)積累了可儲存的能量或可轉化的能量。本 發明的支架(卯0)與遠處的信號接收器(902)通訊的能力是本發明 的高度有利的特點。例如當患者具有植入的支架(900)時，醫生可以 非侵入性地接收在植入的支架(900)的區域中關於患者的狀況的信息。電子信號(92)是指電子或電的信號，例如可以被無線接收器例 如NanoNet TRX、 Crossbow MICA2 Mote和Microstrain G-link無線加速系統接收的信號。最優選情況下，電子信號(92)是聲波之外的信 號。優選情況下，支架(900)是自身供電的(不包括電池供電等)， 其中自身供電可以通過使用至少一種壓電材料構建支架(卯0)來完成。 壓電性是指將機械能轉變為電能的能力，反之亦然。因此，壓電性將 傳感與傳動能力合二為一。當永久性偶極子存在並且在可獲得的電場 存在的情況下能夠重新定向時，壓電性產生。壓電支架能夠轉化由支 架壁與流過支架的血液(或其它流體)或與血管壁或其它解剖學結構 的相互作用產生的能量。可用於新的裝置的壓電材料的例子是例如壓 電聚合物(例如聚偏氟乙烯(PVDF)等)、壓電聚合物複合材料(例 如碳納米管-聚合物複合材料、PVDF納米粘土複合材料等)、PVDF 與三氟乙烯(TrFE)、四氟乙烯(TFE)的共聚物、鋯鈦酸鉛陶瓷等。壓電效應是線性效應，與材料的顯微結構緊密相關。壓電性來源 於希臘語"piezo"表示"壓力"；它表示壓電性是材料對壓力或機械應 力做出反應而產生的電極化現象。這種現象也被稱為直接效應。壓電 材料總是顯示出逆效應，在施加電負荷或信號後繼之產生機械形變。 壓電性是許多非中心對稱的(缺少對稱中心的)陶瓷、聚合物和其它
生物學系統的性質。這種現象的瞬間產生的本質使得它對於傳感器和 傳動器應用來說是理想的，值得注意的是它與生物類型的行為的相似 性，即系統感應到在其環境中的變化並通過成比例的反應對該變化做 出反應。壓電性的一種亞類是熱電性。熱電性材料是對一致的溫度變化做 出反應表現出極化作用的變化的材料。某些熱電材料也是鐵電的；鐵 電材料具有自發的極化作用，可以通過施加可感覺到的電場來逆轉。在本發明中我們使用了壓電材料，因為它們是唯一已知的可以對 機械力做出反應獲取能量的材料。因此，我們在本文中使用"壓電材 料"，在廣義上是指可以從其獲取能量的材料，包括以後可能會開發 出的可以從其獲取能量的新材料，儘管它們可能會被冠以"壓電"之外的其它名字。通過改變壓電參數，增加裝置的靈敏度和增強對流速和其它參數 的監測是可能的。此外，壓電性質使得裝置也可以用作傳動器。電場 引起材料在三個軸的方向上改變尺度，依賴於電場的極性收縮或擴張 (縱向、橫向和厚度)。在管狀的壓電材料中引起徑向的形變也是可 能的。以可控制的頻率施加電壓將產生表面振動，通過消除阻塞或防 止阻塞可以控制壓電材料與血液(或其它流體)的相互作用。一旦支架被放置在患者(901)中，支架可以被查詢(例如定期地)， 以便例如在支架放置在動脈中的情況下可以確保血液流過動脈。可以 作為靶的變量的例子是例如流速和壓力。當醫生查詢遠處的信號接收 器並了解到關於支架(900)所植入的患者組織(901)的狀況的信息 時，如果需要，根據醫生的判斷醫生可以採取行動或不採取行動。參考圖1，被植入的支架(900)與其所植入的患者組織(901) 發生相互作用(93)。當壓電材料用於支架(900)中時，有利的是相
互作用(93)可以被控制，使得治療作用被投送到患者，例如抗凝結 或抗粘附作用(例如通過帶負電荷的表面)。使用"抗凝結的"，我們是指全面抑制支架表面上凝結物或凝塊 的形成。使用"抗粘附的"，我們是指全面抑制生物材料例如蛋白和細胞 否則可能發生的與支架表面的粘附。在某些實施方案中，可以選擇地，支架(900)可以裝備成圖1A 顯示的那樣，從遠程裝置(902)接收通訊(94)，例如醫生在瀏覽了 從支架(900)發出的通訊(92)的結果之後並決定調整支架(900) 所發出的通訊(94)。也就是說，支架(900)可以選擇是可遠程調節 的，例如可以通過改變從支架釋放的藥物的量(例如藥物可以包含在 小的儲存容器中)或者釋放在以前的壓電相互作用中儲存的電荷來遠 程調節。這種對含有壓電材料的支架(900)的遠程改變，可以通過例 如使用獲取的或儲存的能量驅動各種不同的傳動器或其它可以用外部 電信號遠程激活的MEMS結構來完成。對於本發明的電動支架來說，自身供電是優選的(例如在圖1-1A 中的支架(900))。優選情況下避免外部的或傳統的電源(例如電池 電源。為了構建支架，應該使用與活組織接觸後能夠產生可記錄的電 壓輸出的材料，例如壓電材料或壓電材料的組合。通過使用至少一種 壓電材料，可以構建自身供電的支架，例如其能源來自於通過支架的 血液的脈動流動的支架。 一種但不是唯一的一種其中的支架可以是"智 能的"的方法，是在支架中包含可以發出可記錄的電壓信號、例如與 支架被安置的組織的至少一種功能或性質成比例的可記錄的電壓信 號。即使是在電池稱為支架的一部分的實施方案中，有利的是該電池 可以被壓電材料產生的電輸出所充電，因此電池的感應充電或重新充 電是不需要的。
對於將通過支架的血液的脈動流動轉化成可以輸出到接收裝置的 電子信號的例子和將通過支架的血液的脈動流動轉化成可儲存的電能 的例子，可以參見例如在圖2和3中的電路。可以使用在本發明的支架中的產生信號的元件的例子是例如產生 可記錄的信號的信號產生元件、傳送電信號的信號傳送器(例如在約l-2英尺或更長的範圍內傳送電信號的傳送器)。用於接收器(902)的電路的非限制性的例子顯示在圖2和3中， 這些圖中描述了可選的無線接收系統。無線接收器的例子是例如 NanoNet TRX、 Crossbow MICA2 Mote以及Microstrain G-Iink無線加速 系統。在圖2中，監測器可以是例如計算機、PDA等。在圖2中顯示了電壓調節器，但是它不是必需的。在圖3的電路中，使用了高密度可充電電池，例如在起博器中使 用的電池。但是，電池通過支架中的壓電材料產生的電能充電。本發明的支架可以植入到活的患者中，其植入的位置可以是例如 支架的物理結構被認為對患者是有利的位置(例如阻塞的動脈等)； 希望投送藥物物質或其它物質的位置；需要對阻塞進行監測的位置； 希望對組織的至少一種功能或性質(例如流動、壓力、溫度等)進行 監測的位置；等等。本發明的支架可以被安置的位置的例子是例如在 血液流通的通道中、空氣流通的通道中、尿液流通的通道中、膽汁流 通的通道中等。當本發明的含有壓電材料的支架被放置在血液通道中時， 一般情 況下輸出信號的產生是可能的。但是，在本發明的一些實施方案中， 例如當在空氣通道或尿液通道中使用含有壓電材料的支架時，產生輸
出信號可能是不可能的，但是支架仍然可以提供具有治療作用的負電 荷。在實踐本發明的過程中，藥物不是必須從支架流出，但是有利的 是本發明提供了可選擇的方案，藥物可以從智能支架中流出。對可以 從本發明的支架流出的藥物沒有具體的限制，例子是例如抗增殖和抗 炎性的藥劑。本發明可以在各種不同的環境下以不同的方式使用，例如在常規 應用的支架(包括藥物流出支架和非藥物流出支架)中，現在負面的 結果可以被更好地避免。但是，對用於本發明的物體的形狀沒有具體的限制，可以包括通 常用於支架的形狀和尺寸，以及以前沒有與支架發生聯繫的形狀。本發明也可以用於以前支架可能還沒有被通常使用的應用領域 (例如藥物投送應用、結構應用等)。特別是在這種藥物投送應用中， 本發明的物體或裝置不是必須具有傳統的支架的形狀，本發明的含有 壓電材料的裝置可以具有各種不同的形狀。本發明的支架可以用於克服通過使用插入到動脈中使血液通過其 流動的常規的支架所鑑定出的阻塞難題。新的支架在許多情況下防止 了凝塊的形成，從而避免了阻塞難題，並且在凝塊的形成不能被避免 的情況下，至少可以使凝塊形成的事實被知道，以便釆取合適的行動。本發明還提供了使用本發明的壓電材料獲取能量的方法，該方法通過參照生物結構安置(100)至少一種壓電材料(圖9)而從生物結 構或基於生物結構的功能獲取能量，其中的能量(Epz)是通過壓電材 料與生物結構的相互作用而產生的。安置(100)可以是例如植入到活 的患者中，例如插入含有至少一種壓電材料的支架、用含有至少一種壓電材料的薄膜或包裹物包裹動脈等。壓電材料可以安置到生物結構 之中、之上或附近，在不同的實施方案中可以直接或間接地與生物結 構相接觸。在本設置中壓電材料從其周圍環境獲取能量，該能量可以 用於監測或控制周圍環境。參照生物結構安置壓電材料的步驟之後，是將通過壓電相互作用產生的能量(Epz)轉化(200)為可用於為應用供電或可儲存用於以後 為應用供電的能量(Euseable)的步驟，例如可用於為天線供電的能量、可用於為電路供電的能量等等。參考下面的實施例可以有助於對本發明的了解，但是本發明不受 限於實施例。實施例1在本實施例中，使用了 "智能"生物材料，使它們可以被植入並 測量血管內的流動和壓力。這種支架是基於壓電材料設計的。感應能 力被整合到支架中，或者是支架固有的、或者是與支架相連接的。本實施例的支架被放置到患者中後，定期對它進行査詢以確保血 液流過動脈。流速和壓力是作為靶的兩個變量。這種査詢通過遠程控 制完成。天線與裝置整合在一起以獲得傳感信號，並將信號轉化為電 磁信號，電磁信號然後被傳送到體外並被遠程接收。根據這些原理，從支架監測心肌功能的其它方面是可能的。這包 括但不限於冠狀動脈-心肌表面的收縮性參數。因為某些支架是使用左心導管插入術通過血管造影放置的，壓電 材料/裝置可以附著於升主動脈以測量主動脈壓和血流(心輸出量)， 或者在左心室中測量心室內的壓力。使用肺動脈導管插入術可以在右 心中進行同樣的操作。這些支架和材料也可以用於其它的血管，包括
但不限於頸動脈和腦動脈。本發明的特點和優點包括下面的獨特的特點和優點 -提供了產生傳感和傳動兩種功能的新裝置。這些功能可以存在於同樣的裝置中，也可以緊緊相鄰，例如以分層的方式。-提供了新的支架設計，允許進行被設計用於監測心血管和呼吸現象的內部感應。--提供了基於壓電聚合物和聚合物複合材料的新的支架，這些壓電 聚合物和聚合物複合材料通常情況下顯示出高的電壓響應、寬的頻率 帶寬和平的頻率響應。--支架的設計允許連續地監測，以檢測阻塞或血液動力學中的其它 變化。--裝置可以被小型化，可以整合傳感和傳動功能以及遠程激活或査 詢它所需的電路。--壓電聚合物和聚合物複合材料是有彈性的，可以變形成各種不 同的形狀例如管狀。它們具有與水和活的組織相同的密度，並且在化 學上是惰性的，這使它們適合於植入。--壓電聚合物和聚合物複合材料與水和活的組織具有良好的阻抗 匹配。-用於支架的材料是有彈性的和輕便的，因此它們既不會使患者感 覺不舒服，也不會干擾動脈和其它血管的正常的功能。—壓電聚合物和聚合物複合材料中的轉換過程是頻率和溫度響應 性的，覆蓋了寬廣的動態範圍。-新的裝置使獲取能量用於自身供電或為遠處的功能供電的能力 成為可能。--壓電材料與MEMS和納米裝置加工相容。--新的裝置使以可控制的頻率施加電壓成為可能，這將產生表面振 動，可以通過消除阻塞或防止阻塞來控制壓電材料與血液(或其它流 體)的相互作用。--總的來說，微安培到納安培或微庫倫到納庫倫水平的負電流是極
其有利的，因為可以抑制支架的阻塞。事實上，已經顯示出負電荷是 極其抗血栓形成/抗凝結/抗粘附的，因此如果植入支架的目的是為了恢 復和維持血液流行組織，負電荷可以防止再狹窄的發生。壓電材料的 偶極子相對於施加在其上的力的定向提供了對壓電材料的變形作出反 應產生負電流或電荷的能力，偶極子的定向是通過己知的方法完成的， 例如對壓電材料施加強的DC電場，這使得偶極子平行於電場布置。平 行於壓電材料上的偶極子增加或減小壓力導致電荷的產生，它們可以 是正的也可以是負的，這依賴於具體的壓電材料的壓電係數。這些電 荷除了存在於支架的表面上之外，如果需要的話，可以使用必需的電 器元件執行某些功能，來使這些電荷流動和/或被儲存。壓電性是一種 線性現象，將施加的機械刺激與獲得的電荷或電流關聯起來，結果產 生的電荷或電流的量將根據壓力的量是增加還是減小而增加或減小。 如果壓電材料上的壓力與最初的極化方向平行，根據材料的壓電係數， 可以產生正的或負的電勢。有多種選擇可用於維持連續的、小幅度的 負電流，例如(1) 在壓電支架上加偏壓，以便附加的刺激將導致電流在負的區段 內振蕩。其結果是負電流，其幅度隨著外部刺激的頻率達到最小值和 最大值。(2) 在支架中整合了二極體電橋，以防止電流波動到正的範圍內。 (3 )當電流變為正的時，使用信號調製以顛倒電流的符號。(4)儲存從壓電材料獲取的電流，在經過AC到DC的轉換之後再 將其釋放。然後如果需要產生連續的負電流，將獲得的DC電流進行反 轉。本發明可用於血液流動和壓力的植入血管內的監測。此外，聚合 物和聚合物複合材料具有高的靈敏度，這表明它們是對機械刺激作出 反應的有效的電壓發生器。當被植入時，傳感裝置將由於血液流動、 呼吸或其它生理功能產生的機械能轉化為電荷。電荷被儲存並用於為 其它的植入裝置供電。100 cm長、2cm寬和30iam厚的壓電聚合物， 繞著呼吸速率為每分鐘24次的患者的胸腔巻住，可以產生高達500 fciW 的電功率[Hausler等，1980， Proceedings of IEEE]。實施例2在本實施例中，研究集中於PVDF的使用以及它為機械刺激和電 輸出之間提供聯繫的能力。PVDF是指聚偏氟乙烯，它是可商購的聚合 物，被證實具有壓電性，對熱和電都具有高度的抗性，並且高度不具 有反應性。PVDF以前的應用包括點和化學絕緣體、揚聲器、應力計、 電壓電源以及各種不同的傳感器應用。按照圖4建立起實驗裝置。進行了下面的試驗以測試流動壓力範圍對PVDF的電壓響應的影 響。測試的進行使用了包被形式的PVDF，使用的頻率為l赫茲。在每 個範圍獲取數據，並計算了 5個周波的波峰到波谷電壓的平均值。結果(參見圖7-8B)顯示出壓力範圍的增加引起了 PVDF電壓響 應的增加。此外，數據證實了負電荷的產生以及這種響應的線性。正 如對於壓電驅動的響應所預計的那樣，關係是線性的。對於圖8、 8A、 8B來說，使用了與獲得壓力範圍對波峰到波谷電 壓所作的測試同樣的裝置(圖10)和樣品進行了測試。對於圖8來說， 測量了電荷，並除以樣品的電極面積(7X20mm)。本實施例2的實驗數據顯示，PVDF材料(是一種可商購的壓電 材料)當與模擬的生物結構(在本實施例中，PDMS材料被用於模擬動 脈) 一起使用時，證實的實驗結果可以被用來得出結論，當含有這種 材料的支架被植入到患者中時，這種支架預計將自身供電、表現出抗 凝結行為、表現出抗粘附作用、並且當安裝有天線時能夠將電子信號 傳送給沒有植入到患者中的接收器。
實施例3(自身供電支架)含有壓電材料的支架裝備有能量轉換器和/或能量儲存元件，通過 它們將壓電獲得的能量(即通過與產品將被植入的組織的壓電相互作 用獲得的能量)轉變為電信號和/或儲存。能量轉變和能量儲存元件的 例子是例如電容器、電池、二極體、變壓器等。包含了電路，以使用儲存的能量為包含在支架之中、之上、緊鄰 的、附近的或與支架分開的一種或多種使用能量的元件(例如含有藥 物的儲存庫的釋放機構；天線等)供電。實施例4在本發明的本實施例中，支架被用於為自身或與其相鄰或分開的 元件/系統供電。例如，位於腦動脈或冠狀動脈(或主動脈)中的支架 被用於從那些位點獲取能量，然後將該能量轉而用於驅動離它距離不 是很遠的裝置(或為電池充電)。實施例5在本發明的本實施例中，壓電材料被包裹在動脈或其它生物結構 的周圍，以獲取能量並將能量導向其它的源，或使用能量監測壓電材 料所附著的結構。我們的實驗數據(參見實施例2和圖4-8B)顯示，包裹在管狀物 (它模擬了動脈)周圍的PVDF材料(即壓電材料)產生了可記錄的 信號。儘管壓電材料沒有與管狀物的內腔直接接觸，信號仍然可以被 記錄。因此，本發明提供了管腔外的應用以及管腔內的應用。因此，對於外科手術例如冠狀動脈搭橋術、腿的動脈搭橋術或頸 動脈內膜切除術來說，外科醫生可以用壓電薄膜纏繞著血管，用於監 測血液流動或其它功能的目的。在這種情況下產生的負電荷對於血管 的內腔沒有幫助，但是傳感功能仍然將維持其有用性。在這種情況下
材料不是用於撐開血管，而是用於監測血管。儘管已經參考優選的實施方案對本發明進行了描述，但本領域的 專業技術人員將會認識到，在權利要求的精神和範圍之內進行修改之 後，本發明仍然可以實行。
權利要求
1. 抗凝結的和/或抗粘附的支架，包含可植入到活的患者中的支架，該支架含有至少一個產生負電荷的表面，該支架將抗凝結作用和/或抗粘附作用投送到支架被植入的患者中。
2. 權利要求l的支架，含有至少一個產生信號的元件。
3. 權利要求2的支架，其中產生信號的元件產生可記錄的信號。
4. 權利要求l的支架，含有壓電材料。
5. 權利要求l的支架，其中至少一個產生負電荷的表面含有至少 一種壓電材料，壓電材料的取向被布置成能夠產生某些負電荷。
6. 權利要求1的支架，包括藥物流出支架。
7. 權利要求1的支架，包括智能支架。
8. 權利要求l的支架，含有在約1到2英尺或更長的距離範圍內 傳送電信號的信號傳送器。
9. 權利要求l的支架，含有可記錄的電壓輸出，其中可記錄的電 壓輸出與支架被安置的組織的至少一種功能或性質成比例。
10. 權利要求9的支架，其中至少一種功能或性質選自流動、 壓力、外力和溫度。
11. 權利要求1的支架，含有至少一種壓電材料和來自壓電材料 與和壓電材料相接觸的材料之間的相互作用的可記錄的電壓輸出。
12. 權利要求l的支架，包括自身供電支架。
13. 權利要求12的支架，含有至少一種可以從支架釋放的藥物物質或其它物質，以及釋放這些物質的釋放機構，其中釋放機構由壓電 材料與支架被安置的組織的相互作用供電。
14. 權利要求l的支架，含有至少一種選自以下的材料PVDF， PVDF與三氟乙烯(TrFE)、四氟乙烯(TFE)的共聚物，PVDF碳納 米管複合材料，PVDF納米粘土複合材料，鋯鈦酸鉛陶瓷。
15. 權利要求l的支架，含有控制電壓的施加的電壓控制器。
16. 在患者中產生抗凝結作用和/或抗粘附作用的方法，包括在患 者中植入含有產生負電荷的表面的支架的步驟。
17. 權利要求16的方法，其中支架含有壓電材料。
18. 權利要求16的方法，其中植入步驟包括植入藥物流出支架。
19. 權利要求16的方法，其中植入步驟包括植入選自以下的支架 心臟支架；冠狀動脈支架；血管支架；氣道支架；胃腸道支架；和尿 道支架。
20. 權利要求16的方法，其中植入步驟包括植入智能支架。
21. 權利要求16的方法，其中支架含有至少一種選自以下的材料 PVDF， PVDF與三氟乙烯(TrFE)、四氟乙烯(TFE)的共聚物，PVDF 碳納米管複合材料，PVDF納米粘土複合材料，鋯鈦酸鉛陶瓷。
22. 智能支架系統，包括(a)可以植入到活的患者中的智能支架，其含有壓電材料並產生可記錄的信號，，以及(b)與智能支架物理分開並在約1到2英尺或更長的距離範圍內接收來自智能支架的可記錄的信號的信號接收器。
23. 權利要求21的智能支架系統，其中接收器是無線接收器，並 且直接地或無線地與濾波器、放大器和監測器連接。
24. 權利要求22的智能支架系統，其中監測器選自計算機和個 人數字輔助裝置。
25. 權利要求22的智能支架系統，其中智能支架含有至少一種選 自以下的無源部件控制電壓擺幅的二極體電橋和電壓調節器。
26. 權利要求22的智能支架系統，其中智能支架含有高密度的可 充電電池、濾波器、放大器和A/D轉換器(微控制器)。
27. 權利要求22的智能支架系統，其中壓電材料的電輸出為電池 充電和/或為支架的至少一個元件供電。
28. 權利要求22的智能支架系統，含有支架發出的可記錄的電壓 輸出，其中可記錄的電壓輸出與支架被安置的組織的至少一種功能或 性質成比例。
29. 權利要求22的智能支架系統，其中支架含有至少一種壓電材 料，並且系統含有來自壓電材料和與壓電材料相接觸的材料之間的相 互作用的可記錄的電壓輸出。
30. 權利要求22的智能系統，其中支架是自身供電的。
31. 權利要求22的智能支架系統，在支架中含有至少一種可以從 支架釋放的物質，進一步含有用於釋放該物質的釋放機構，其中釋放 機構由壓電材料與支架被安置的組織的相互作用供電。
32. 權利要求22的智能支架系統，包括選自以下的支架產生負 電荷的支架；抗凝結支架；抗粘附支架；產生正電荷的支架；促凝結 支架；和促粘附支架。
33. 支架，其含有壓電材料，當支架被植入到活的患者中時支架 是自身供電的，不需要單獨的電源。
34. 權利要求33的支架，其中支架在植入了支架的患者中幹擾不 需要的凝結。
35. 權利要求33的支架，包含信號發送器，它將電子信號發送到 支架以外的地點，信號包含與凝結相關的信息。
36. 權利要求33的支架，包含可記錄的電壓輸出，其中可記錄的 電壓輸出與支架被安置的組織的至少一種功能或性質成比例。
37. 權利要求33的支架，含有至少一種壓電材料，以及來自壓電 材料和與壓電材料相接觸的材料之間的相互作用的可記錄的電壓輸 出。
38. 權利要求33的支架，進一步含有至少一種可以從支架釋放的 物質，以及釋放該物質的釋放機構，其中釋放機構由壓電材料與支架 被安置的組織的相互作用供電。
39. 權利要求33的支架，包括選自以下的支架產生負電荷的支 架；抗凝結支架；抗粘附支架；產生正電荷的製劑；促凝結支架；和促粘附支架。
40. 構建智能支架系統的方法，包括以下步驟(a)形成含有至少一種壓電材料並可以植入到患者中的可植入的自身供電的支架結構， 形成的支架結構用來產生包含可記錄的電壓輸出的信號，可記錄的電壓輸出與支架被安置的組織的至少一種功能或性質成比例；(b)構建接 收裝置，它接收由支架結構產生的可記錄的電壓輸出，其中接收裝置 可與可植入的支架結構分開。
41. 權利要求40的方法，進一步包括在支架中形成容納可釋放 的藥物或其它物質的儲存庫，並具有由壓電材料產生的電能供電的釋 放機構，其中電能可以直接使用或者可以在用於為釋放機構供電之前被儲存或轉化。
42. 權利要求40的方法，包括布置至少一種壓電材料的取向以產生某種負電荷或正電荷。
43. 藥物投送系統，包括含有至少一種壓電材料的容器，該容器含有腔室用於容納一定量的要被釋放到患者中的藥物，其中容器可 以植入到活的患者中。
44. 權利要求43的藥物投送系統，其含有藥物。
45. 權利要求43的藥物投送系統，進一步含有電子信號，該電子 信號基於壓電材料與患者的組織之間的相互作用並且該電子信號被輸 出到遠程裝置。
46. 權利要求43的藥物投送系統，含有遠程控制系統，通過該遠 程控制系統醫生可以遠程控制與包含在容器內的藥物的釋放相關的至 少一個參數。
47. 權利要求46的藥物投送系統，其中被控制的參數選自以下 通過其可釋放藥物的孔隙的數量；通過其可釋放藥物的孔隙的大小；和通過其可釋放藥物的孔隙的形狀。
48. 在患者中監測心肌、監測肺動脈、監測頸動脈或監測腦動脈 的方法，包括(a)在患者中植入支架，(b)從支架接收電子信號。
49. 權利要求48的方法，其中接收步驟包括從支架接收患者的與選自以下的一種相關的參數的電子信號心肌功能、心肌壓力、心肌溫度、肺動脈功能、肺動脈壓力、肺動脈血流、肺動脈溫度、頸動脈 功能、頸動脈壓力、頸動脈血流、腦動脈功能、腦動脈壓力、腦動脈 血流和腦動脈溫度。
50. 權利要求49的方法，其中支架含有至少一種壓電材料。
51. 權利要求49的方法，其中支架是自身供電的。
52. 能量獲取裝置，含有包含至少一種可安置在生物結構區域 內的壓電材料的能量獲取結構；以及至少一個從至少一種壓電材料與 生物結構的相互作用接收能量的能量轉化或儲存元件。
53. 權利要求53的能量獲取裝置，含有支架。
54. 權利要求53的能量獲取裝置，含有壓電薄膜。
55. 權利要求53的能量獲取裝置，含有可包裹在動脈或其它生物 結構的周圍的包裹物。
56. 權利要求53的能量獲取裝置，其中生物結構在活的患者中。
57. 權利要求53的能量獲取裝置，進一步含有監測元件，通過該 監測元件可以通過電子信號報告生物結構的至少一種功能。
58. 權利要求53的能量獲取裝置，其中選自生物結構的流動、壓 力和溫度的至少一種信息可以通過電子信號報告給生物結構所布置的 患者之外的裝置。
59. 能量獲取的方法，包括將至少一種壓電材料安置在生物結 構之上、之中或附近，並通過其發生壓電相互作用，由壓電相互作用 產生能量；將從壓電相互作用產生的能量轉化為可儲存的能量和/或可 用作電能的能量。
全文摘要
含有至少一種壓電材料的醫學可植入的支架，具有例如下面的一種或多種活性給它所植入的患者投送抗凝結或其它治療作用；給它自己供電；和/或給遠程裝置發射輸出的電子信號。當支架可以發出這樣的輸出信號時，醫生可以非侵入性地確定支架附近的組織的狀況。
文檔編號A61F2/82GK101394807SQ200680052603
公開日2009年3月25日 申請日期2006年12月12日 優先權日2005年12月12日
發明者喬治·維特羅韋茨, 凱文·沃德, 祖貝達·歐奈埃斯 申請人:維吉尼亞州立大學