[发明专利]从金属矫形装置去除微生物的恒电流方法

说明书

本申请提供了一种用于从金属矫形器具消除微生物的系统和方法，该系统和方法包括反电极和工作电极以及用于监测安全参数的参考电极。电流被施加到该反电极与该工作电极之间，以形成流过该系统的电化学电流并产生电化学反应。在该工作电极处产生的化学物质提供破坏和杀死微生物(包括通常存在于受感染的矫形植入物上的细菌生物膜)的机制。连接到电极的电路保持所施加的电流恒定，并允许该工作电极与该反电极之间的电压发生改变。该参考电极监测该工作电极处的电压，以便向处理器提供反馈作为反馈机制的一部分。该处理器被编程有软件逻辑，从而通过限制或改变该所施加的电流来防止电压漂移到与金属免疫或腐蚀区域相关的范围。

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§§119和120的相关部分要求2020年1月17日提交的美国专利申请第62/962,564号的优先权。优先权申请的内容以引用的方式整体并入。

技术领域

本申请涉及一种从金属矫形装置/器具的表面消除微生物的系统及相关的恒电流方法。

背景技术

矫形装置诸如金属植入物用于患有多种不同伤害或医疗问题的患者。具体地，金属植入物可用于需要置换关节的任何个体。例如，金属植入物可用于置换患者的髋部或膝盖。金属植入物的一个潜在问题是它们容易让细菌在表面上生长。这可能增加患者受感染的风险，如果无法处理感染，则这可能导致去除植入物或危及生命的情况。为了降低感染的风险，电极可提供电刺激以破坏细菌的生长。

在科学文献中已经示出，将阴极电流施加到金属样品在该表面产生化学反应，这些化学反应可破坏和杀死存在于金属上的细菌生物膜。要发生电化学过程，在电解质溶液内必须存在阳极和阴极。阳极为发生氧化反应的金属表面，并且阴极为发生还原反应的另一个金属表面。还原反应本质上是当感兴趣的材料获得电子并由此降低分子的氧化态时。阳极和阴极各自位于其中的电解质通过促进被离子载体诸如钠离子或钾离子传递的电子流来提供电连接。电子经由外部电源诸如恒流器通过电通路从阳极驱动到阴极。恒流器是用于通过改变反电极与工作电极之间的电压而将恒定电流从反电极驱动到工作电极的器械。就阴极电流刺激而言，阳极表示反电极，阴极表示工作电极。

所描述的双电极系统已在工业中使用数十年以从电解质介质产生不同的化学副产物。在许多双电极直流应用中，存在关于控制或了解工作电极的表面以何种热力学状态存在的常见问题。根据系统的电压和pH，金属可能处于腐蚀性、钝化或免疫状态。不了解表面存在于哪个状态可能导致不期望的金属取代基被释放，如果在带有金属植入物的患者体内施用了恒电流操作，则这可能对患者的健康造成不利影响。这在电压控制的和电流控制的双电极系统中均有可能发生。

发明内容

本发明涉及解决上述问题以便实现可以安全地从置换膝盖、肩部或髋部等矫形器具的表面去除微生物的恒电流技术。通过将具有稳定电压的第三电极实现为反馈机制的一部分，本发明的系统和方法能够感测工作电极在恒电流系统下处于何种电压，并且基于感测到的电压电平，可以施用电压限制器，以便防止漂移到热力学不利的电位中。因此，本发明的方法和系统由三(3)个电极构成，包括用于施加治疗的反电极和工作电极以及用于监测安全参数的参考电极。根据本发明的方法和系统的优选版本，工作电极是外科嵌入式植入物。在反电极与工作电极之间施加电流，以便形成流过该系统的电化学电流。所施加的电流是直流电，以在工作电极和反电极的表面上产生电化学反应。在工作电极处产生的化学物质提供破坏和杀死该表面上的微生物(包括通常存在于受感染的矫形植入物上的细菌生物膜)的机制。连接到电极的电路保持所施加的电流恒定，并允许工作电极与反电极之间的电压发生改变。参考电极被配置为监测工作电极处的电压，以便向处理器提供反馈，从而形成反馈机制。处理器被编程有软件逻辑，以便通过限制或改变电流来防止所施加的电压漂移到与金属免疫或腐蚀区域相关的范围，并且因此将测量的电压保持在预定范围之内。

通过实现具有稳定电压的第三电极，本发明的系统能够感测工作电极在恒电流系统下处于何种电压，并且处理器可以施用电压限制器，以便防止漂移到热力学不利的电位中。