聚对二甲苯涂层可以保护重要的电子元件

聚对二甲苯涂层可以保护重要的电子元件,允许设计人员进一步设计更小的装置。

聚对二甲苯涂层可以保护重要的电子元件,允许设计人员进一步设计更小的装置。

目前有很多医疗器械都达到了微米甚至纳米级别,带来了十年前无法提供的种种优势。这些器械具有需小心保护的内部电子元件(植入式或外部)。由于这些电子元件体积微小,没有足够的重量进行沉降、喷涂或涂刷,因此无法采用常规的敷形保护涂层。一些微小的装置还会受到气隙、厚度不均以及很多涂层内在的其他因素的不良影响。对于植入式微电子元件来说,保护涂层还必须具有生物相容性。本文介绍聚对二甲苯敷形涂层如何为植入应用提供一种具有生物相容性的超薄涂覆选择,尤其是对那些需要保护电子元件的应用。

聚对二甲苯的应用

聚对二甲苯是一系列具有多晶线性性质的有机聚合涂层材料的类属名。它们具有很好的每单位厚度绝缘属性,并具有化学惰性。聚对二甲苯有多种类型,全都无需充填剂、稳定剂、溶剂、催化剂和塑化剂。因此,这些材料不会出现浸析、排气或萃取问题。聚对二甲苯涂层之所以对保护植入式医疗器械有如此吸引力,首要因素是其生物相容性。聚对二甲苯用作医疗植入物的保护性涂层已有近40年的历史。

由于聚对二甲苯能气相沉积,它可涂覆于极细微的空间和孔隙。由于其分子级聚合作用,即一次一个分子附着于沉积表面,聚对二甲苯涂层超薄,不会形成气孔,并能敷形涂布于元件上。聚对二甲苯还能满足微小尺寸和极轻重量的装置的严格要求。任何用来保护微型装置的材料都不得影响其体积或重量。聚对二甲苯不会显著增加质量——这对微型植入装置来说是非常关键的一个优势。

聚对二甲苯涂层的一般涂覆厚度在500 到75 m范围内。例如,一个25-m的聚对二甲苯涂层便具有能承受5000 v以上电压的绝缘能力。其他涂层材料在这样的厚度是无法提供这样的电压保护的。聚对二甲苯还能使脆弱丝焊的强度增强达10倍。待用聚对二甲苯涂覆的装置在室温条件下置于沉积室内。涂覆系统另一侧的汽化器中放入一种称为二聚体的粉末状原材料。这种双分子二聚体被加热后直接升华为蒸汽。蒸汽被进一步加热到极高温度,二聚体蒸汽裂解成单分子蒸汽。该蒸汽随后被转移到环境温度沉积室内,并在此自发聚合,附着于所有表面,形成一层超薄、均匀、片形聚对二甲苯膜。涂覆流程在一个受控真空条件下的密闭系统中进行。在整个流程中,沉积室与待涂覆件都保持处于室温条件下。涂覆流程中不使用任何溶剂、催化剂或塑化剂,也不需要固化过程或其他步骤。

由于沉积过程中无液相,因此不会产生弯月面、淤积、桥连等效应,这在许多液态涂料的使用过程中是很常见的。这确保了涂层的绝缘性能不受影响。聚对二甲苯涂层为分子级涂布,能按制造商指定的厚度均匀、敷形涂覆。由于聚对二甲苯由气体形成,它能渗入每个孔隙,确保基板被完全包封,而不阻塞或桥连哪怕最小的开口。

聚对二甲苯在植入物中的应用

从模拟到数字电子技术的转变使得植入式医疗微型装置的应用更为普遍,这为聚对二甲苯保护敷形涂层提供了一个理想的应用平台。某些模拟装置需要从外部进行人工设置或需要更换电池。这类装置一般为非植入式,如模拟助听器中的装置。在这类应用中,需要打开外壳或通过壳体转动转盘,因此无法使用聚对二甲苯涂层,但它可应用于内部的固定电子元件。不过,有很多植入式电子助听器及外置电子助听器都使用了数字技术。这些数字装置通常没有外置控件,且为无线操作。因此,这为无缝聚对二甲苯保护涂层的应用带来了良机。

随着装置尺寸的进一步细微化,能从聚对二甲苯涂层受益的应用也越来越多。其中一个应用示例是植入式助视器和助听器,这两种装置的设计往往都很细微。

助听器。中耳包括一系列骨骼,即锤骨、砧骨、镫骨,它们合称为听小骨,与内耳相连。这些骨骼的运动最终被转换为耳蜗中的电信号,刺激听觉神经。当由于遗传缺陷、疾病或损伤,鼓膜不振动这些骨骼时,医生可以在砧骨处连接一块微小的电磁铁。这块电磁铁由植入耳后的声音处理系统通电。当电磁铁响应声音而振动时,患者便能再次听到声音了。整个电磁线圈组件约为一粒米粒大小。由于尺寸很小,该装置无法使用会显著增加重量或厚度或者不具有生物相容性的任何材料涂覆。但是,气相沉积的聚对二甲苯能保护该类装置,因为它能形成微米级厚度的薄膜。

该系统的另一组件植入耳后。该组件通过皮肤与外部的电子元件组实现电磁耦合,后者拾获患者周围的声音并将其处理成适当的信号,最终到达电磁组件。皮下植入的电子装置在很大程度上依赖聚对二甲苯的多种属性——生物相容性、湿气阻隔保护以及绝缘属性。

这类助听器不应与耳蜗植入物相混淆。耳蜗植入物采用类似电子组件(外置组件和耳后植入组件),但是使用一条插入耳蜗的导线,沿线包含多个导体和电极。这些电极刺激耳蜗内的神经末梢以产生听觉神经信号,这些信号被患者当作声音感知。

尽管硅树脂也能用作这些应用中的保护涂层,但它形成的气孔较多,而且涂层比聚对二甲苯要厚。也有其他聚合物因其绝缘属性得到采用,但这些聚合物的涂层也比聚对二甲苯要厚。

植入式助听器渐渐向外置助听器转变,这些在耳道内和耳后工作的助听器很多都有一个置入耳道的圆顶,用以将接收器(扬声器)固定到位。圆顶一般由模塑硅树脂制成,成本低廉,但气孔较多。这一特点使得圆顶会吸收来自耵聍(耳垢)和污物的体油,使硅树脂很快变脏,带来卫生问题,并影响美观。使用聚对二甲苯涂覆时,圆顶硅树脂的气孔被密封,不会脏污,同时保持硅树脂的柔性。聚对二甲苯涂层能防止出现不雅观的污迹,方便圆顶清洁,并能延长圆顶使用寿命。

聚对二甲苯对外置助听器的电子元件部分尤其有用,因为这些装置已从模拟形式向数字形式转变,并且一般由计算机编程。当听力学医生或技师调节装置时,电池被取出,一根电缆被插入电池室中一个裸露的连接器,该连接器与计算机相连。对装置的所有调整均由计算机和程序控制。除了电池之外,一般没有外置控件或与这些装置的接触。由于不存在外置的人工调节转盘或控件,这些电子组件完全可以采用聚对二甲苯涂层。

助视器聚对二甲苯涂层对眼植入装置也有独特优势,如用来替代缺陷自然晶体的人工晶体。它们还可应用于视网膜色素变性患者的助视装置。

视网膜色素变性是一种破坏周边视力、使患者仅保留中心视觉的不可逆疾病。视网膜上有两种感光细胞:视杆细胞和视锥细胞。视杆细胞集中分布在视网膜外围,视锥细胞集中分布在视网膜的中心部位(即黄斑区)。视杆细胞帮助我们看到进入周边或侧边视野的影像。它们还能帮助黑暗环境以及微光环境中的视觉。视锥细胞让我们能感知颜色并看到中心视野内的精细细节。

视杆细胞和视锥细胞将光线刺激转化为电脉冲,这些脉冲然后被传递至大脑,从而“看到”实际影像。视网膜色素变性的最常见特点是视杆细胞和视锥细胞逐渐变性。随着疾病的进行,越来越多的视杆细胞发生变性,视力也逐渐丧失。助视装置的开发人员和科研机构都在寻找一种能刺激视网膜内神经末梢的方式,以重建视觉。

目前正在研发的一种装置具有一种特殊的照相机,能捕获外界影像,并将影像转换成电子信号,然后再将信号发送到人眼(植入物即位于此)。患者佩戴一个信号处理器和一副包含该照相机的特殊眼镜。

目镜组件包含电感线圈,用于将信号传递到人眼。该组件中的电子元件能将经线圈耦合的信号转换为通过视网膜上连接的电极矩阵传递的信号。该电极矩阵刺激视网膜神经以再现基本影像,与视频显示器通过点阵励磁生成画面类似。受到刺激的神经末梢再通过视神经将初步影像发送到大脑。在这类应用中使用聚对二甲苯涂层能从多个方面帮助助视装置设计人员。

眼植入物约为火柴棍大小,一端是电子元件和线圈,另一端是电极矩阵。电子元件和线圈端置于虹膜与瞳孔后,电极矩阵则紧贴视网膜。装置在眼球内工作,因此必须对眼睛内的液体有阻抗作用。聚对二甲苯涂层既能保护装置不受眼睛生理机能的影响,又能保护眼睛不受装置影响。涂层必须具有生物相容性,在不影响植入物尺寸或刚度的条件下提供绝缘和湿气阻隔保护。

这项技术的成功之处在于能产生和传递电信号并重建影像。聚对二甲苯涂层足够薄,不影响装置的柔性,允许装置适合视网膜的曲率。

该装置能形成足够的亮暗对比,使患者能识别周围环境和人员。虽然这一技术能力远未达到完善,与完全失明相比,仍能改善患者的生活质量,赋予他们更多自由。随着这类装置的进一步完善,设计人员将发现提高这些电极矩阵密度以改进影像的各种方式。

结 论

使用聚对二甲苯敷形涂层允许设计人员设计、测试和改进更小的装置。聚对二甲苯涂层提供具有生物相容性的一道屏障,能保护细微装置和组件,它们的化学惰性也让植入式装置和电子元件进一步受益。使用这类涂料能帮助设计人员确保未来装置即使在体内这一严格环境中也能充分发挥其功效。