[发明专利]用于改善电疗设备中的电荷传输的混合离子电子导体

说明书

本发明解决了对于高效的干性皮肤电极的需求。通过水溶液途径制备了坚固的、柔性的混合离子电子导体(MIEC)电极，形成了碳纳米管(CNT)和离子导电弹性基质的导电性网络。根据电导率、离子电荷转移电阻和吸水率来表征柔性电极。即使经过多次50％伸缩的循环，柔性电极仍保持低电阻。

相关申请

本申请要求2017年4月10日提交的美国临时专利申请编号62/483,942的优先权。

背景技术

导致本发明的目的是开发一种用于电疗医学的导电的、弹性的电极。

用于电疗设备的常规电极采用金属或无机导电材料(例如，TiN、Ir-IrO₂、Pt)加上耦合层(例如，电解质)。将电极放置在设备与患者组织之间发生氧化还原反应的位置。因此，它必须同时传导电子和离子。反应可以是法拉第(faradaic)反应或电容性(capacitive)反应，涉及电极-电解质双层的充电和放电。电容性电荷注入比法拉第电荷注入更为可取，因为在刺激脉冲期间不会产生或消耗任何化学物质。大多数常规电极是法拉第电容或伪电容，这会导致性能随时间变化。此外，在神经肌肉刺激脉冲的高电荷注入率和高电流密度条件下，电极的界面电阻和低表面积限制了对所有可及电荷的接近。对于耐用的电极，需要不随时间或湿度变化的低电阻。

Aregueta-Robles et al.in“Organic electrode coatings for next-generation neural interfaces,”Frontiers in Neuroengineering,vol.7,pp.1-18(May2014)综述了有机电极涂层的现状。作者报告说，将水凝胶与导电成分(如CNT)混合可以提供所需的电特性，但刚性降低。在美国公开专利申请编号2010/0173228中，Wallace等人论述了纳米结构的复合物可能包括CNT和例如透明质酸的生物分子。

本发明提供了将促进电疗医学的新型电极材料。

发明内容

本发明的一个重要方面是将电子导体和离子导体以这样的方式嵌入基质中，与简单的随机混合相比，使得电子和离子实现以更低的负载来获得渗滤(即连续的互连网络)。这样可以实现电性能，同时保留必要的机械性能。

在第一方面，本发明提供了一种电极，包括：

聚结的弹性体颗粒、CNT和糖胺聚糖；其中CNT和糖胺聚糖布置在聚结的弹性体颗粒的外部。可以通过光学或电子显微镜以及众所周知的用于分析组成的技术(例如俄歇光谱(Auger spectroscopy))来观察该固体结构。随着悬浮介质的去除，胶乳颗粒的聚结自然发生。可以通过众所周知的技术(例如色谱法和光谱学)从分散的电极或部分溶解的电极中另外鉴定各个组分。

在第二方面，本发明提供了一种电极，其包括：

弹性体、CNT和糖胺聚糖；和具有以下特征：至少1000mS/cm的电导率，在将材料延伸50％并使材料收缩的5个应变循环后，电导率变化不到10％。与本发明的第一方面是基于化学知识的同时，第二方面直接与卓越和令人惊讶的观察结果联系在一起；因此，第二方面是定义本发明的必要且重要的可供选择的方式。在一些优选的实施例中，本发明可以表征为具有第一方面和第二方面两者。

在另一方面，本发明提供了一种制造适合于神经肌肉电刺激的柔性电极的方法，包括：形成CNT和糖胺聚糖的水分散体；将水分散体与弹性体的水乳液混合以形成复合前体；将前体沉积在表面上，除去水，并使弹性体固化以形成电极。所述方法还可包括用氯化钠水溶液处理电极。

在另一个方面，本发明提供了一种电极，包括：聚结的聚合物颗粒、电子导体和离子导体；其中电子导体和离子导体布置在聚结的聚合物颗粒的外部。在一些优选的实施例中，聚合物颗粒是弹性体。