阅读说明：本技术 一种三维堆叠式多功能瞬态医疗芯片 (Three-dimensional stacked multifunctional transient medical chip ) 是由 陈珉 于欣格 于 2020-05-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种三维堆叠式多功能瞬态医疗芯片,属于新型微电子材料与器件、生物可降解电子器件以及医疗电子器件技术领域。该方法医疗芯片构筑一种三维堆叠式多功能瞬态医疗芯片,该多功能医疗芯片的特点主要包括：1)由两层或两层以上的器件堆叠而成；2)不同对叠层的器件拥有相同或者不同的医疗功能；3)制备器件所需要的材料全部由生物可降解电子材料组成；4)不同器件层之间由不同生物可降解绝缘材料进行封装。本发明能够加快新型医疗电子器件的快速发展,特别是对于提高瞬态医疗电子器件的多功能集成、降低病患医疗成本等方面具有深远的意义。(The invention discloses a three-dimensional stacked multifunctional transient medical chip, and belongs to the technical field of novel microelectronic materials and devices, biodegradable electronic devices and medical electronic devices. The medical chip of the method constructs a three-dimensional stacked multifunctional transient medical chip, and the multifunctional medical chip is characterized by mainly comprising the following steps: 1) is formed by stacking two or more layers of devices; 2) different pairs of stacked devices have the same or different medical functions; 3) the materials required for preparing the device are all made of biodegradable electronic materials; 4) different biodegradable insulating materials are used for packaging different device layers. The invention can accelerate the rapid development of novel medical electronic devices, and has profound significance in the aspects of improving the multifunctional integration of transient medical electronic devices, reducing the medical cost of patients and the like.)

一种三维堆叠式多功能瞬态医疗芯片

技术领域

本发明公开了一种三维堆叠式多功能瞬态医疗芯片，属于新型微电子材料与器件、生物可降解电子器件以及医疗电子器件技术领域。

背景技术

瞬态医疗电子器件自2012年被提出到现在(Science,2012,337,1640.)，由于其生物可兼容、生物可降解、环境无污染等一系列的优点受到人们的广泛关注并得到了十足的发展。特别是对于可植入电子器件而言，瞬态医疗电子器件在其完成对生命体的治疗或者监测后，可在生命体内自行降解，而不需要进行第二次外科手术将其取出。瞬态医疗电子器件的提出以及应用，将大大地降低了病患的手术痛苦、手术风险，同时降低了医疗成本。实现瞬态医疗电子器件的关键是从衬底、器件到封装层所需要的材料都应同时具有生物可兼容和生物可降解的特点。然而，传统瞬态医疗电子器件在生命体内的寿命是由封装层的降解速率所决定的，且具有功能单一、集成度低等缺点。例如，具有减轻感染或者消除感染的可植入瞬态热疗器件，当其在生命体内完全降解后，该器件对于感染区域的疗效无从得知。

将治疗器件与监测器件进行三维集成是一种有效的方式。举例来说，治疗器件位于上层，监测器件处于治疗器件的正下方，两层器件之间用封装层进行隔离，并对治疗器件层上方进行封装。当治疗器件充分降解后，其下方的监测器件将对治疗器件的疗效进行原位监测。通过监测数据的反馈，对治疗器件在生命体内的寿命进行最优化，即对最上方的封装层进行最优化。从而达到，当治疗器件完全降解后，病变区域完全恢复如常，且恢复状况可由下方监测器件进行原位分析。本发明的提出，将进一步推进瞬态医疗电子器件的发展，对于大力拓展瞬态医疗电子器件的医用化、实用化具有重要意义。鉴于此，构建一种三维堆叠式多功能瞬态医疗芯片变得尤为必要。

发明内容

根据以上技术背景，本发明的目的是构建一种三维堆叠式多功能瞬态医疗芯片，通过将具有相同或者不同功能的器件层进行纵向三位堆叠，且器件层之间用绝缘介质作为封装，最终形成具有多功能集成、瞬态、三维堆叠的医疗芯片。本发明提出的三维堆叠式多功能瞬态医疗芯片对推进瞬态医疗电子器件的快速发展，拓展瞬态医疗电子器件的医用化、实用化具有重要意义。

为实现上述目的以及其他相关目的，本发明一种三维堆叠式多功能瞬态医疗芯片，其特征在于，至少包括：衬底，功能器件层和封装层；

1)提供生物可兼容、生物可降解材料作为衬底，所述生物可兼容/可降解衬底具有柔性的特征；

2)在上述生物可兼容/可降解衬底上构建第一层功能器件层，所述功能器件层所需要的材料均为生物可兼容、生物可降解材料；

3)对上述功能器件层进行封装，所述封装层所需要的材料均为生物可兼容、生物可降解材料；

4)所述功能器件层和封装层重复堆叠一次或者多次，其中不同器件层具有相同或者不同的医疗功能。

可选地，所述生物可兼容及可降解衬底材料主要包括蚕丝蛋白、乳酸-羟基醋酸共聚物(PLGA)、米纸(rice paper)、聚已酸内酯(PCL)、聚羟基乙酸(PGA)等，但并不限于以上几种。

可选地，所述功能器件层所需要的金属材料包括Zn、Mg、Fe、W、Mo，介质材料为SiO2、Si3N4、MgO、可降解聚合物，半导体材料为Si、Ge、SiGe、ZnO等，但并不限于以上几种。

可选地，所述的生物可降解电子器件层包括晶体管、忆阻器、二极管、电阻、电感、电容等单一元件，或者由上述元件所组成的集成系统。

可选地，所述封装层包括无机SiO₂、Si₃N₄、MgO，或有机蚕丝蛋白、乳酸-羟基醋酸共聚物(PLGA)、米纸(rice paper)、聚已酸内酯(PCL)、聚羟基乙酸(PGA)等，但并不限于以上几种。

本发明的另一个目的提供一种三维堆叠式多功能瞬态医疗芯片的制备工艺方法，至少包括以下步骤：

1)将生物可降解衬底前驱体以旋涂法或者滴定法的方式涂敷于临时衬底；

2)在生物可降解衬底上构建监测器件层，用于原位监测治疗器件的疗效；

3)在监测器件层上构建第一封装层；

4)在第一封装层上构建治疗器件，用于加快感染伤口的愈合；

5)在治疗器件上构建第二封装层，用于阻止组织液对治疗器件的快速降解；

6)将所构建的堆叠式多功能瞬态医疗芯片从临时衬底上剥离；

7)将所构建的柔性堆叠式多功能瞬态医疗芯片与病变器官紧密贴合。

如上所述，本发明中提供了一种三维堆叠式多功能瞬态医疗芯片。本发明具有以下优点及突出性的技术效果：1)不同于传统医疗电子器件具有单一医疗功能，本发明所提出的多功能瞬态医疗芯片将不同器件层的具体功能集成在同一芯片上，大大地增加了芯片的集成度；2)本发明所提出的多功能瞬态医疗芯片上不同器件层之间的具体医疗功能具有相互协同作用的特点，提高了单一芯片的工作效率；3)本发明所提出的多功能瞬态医疗芯片可以对每一器件层的疗效进行原位监测，对于分析病患病情、医疗器件疗效等方面具有重要的指导意义；4)本发明所提出的多功能瞬态医疗芯片全部由生物可兼容、生物可降解材料组成，再置入生命体后无需二次手术可自行降解，大大减轻了病患痛苦、降低手术风险和医疗成本等。

附图说明

图1显示为本发明的一种三维堆叠式多功能瞬态医疗芯片中生物可降解、生物可兼容衬底的制备方法。

图2显示为本发明的一种三维堆叠式多功能瞬态医疗芯片中监测器件与封装层1的制备。

图3显示为本发明的一种三维堆叠式多功能瞬态医疗芯片中治疗器件与封装层2的制备。

图4显示为本发明的一种三维堆叠式多功能瞬态医疗芯片中将多功能瞬态医疗芯片从临时衬底上剥离。

图5显示为本发明的一种三维堆叠式多功能瞬态医疗芯片中将多功能瞬态医疗芯片与病变器官进行紧密贴合。

图6显示为本发明的多个功能层和多个封装层组合。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

需要说明的是，本实施案例仅提供一种具体的多功能瞬态医疗芯片的制备步骤以说明本发明的基本构想，遂步骤中仅展示与本案例有关的有关内容。在实际实施本发明时，可根据需求任意改变所需功能器件层的功能、堆叠层的层数以实现所需医疗功能，也可以改变封装层的材料和厚度用以控制功能器件层的降解速率，且其组件布局形态也可能更为复杂。

如图1-6所示，一种三维堆叠式多功能瞬态医疗芯片，至少包括：衬底，功能器件层和封装层；

1)提供生物可兼容、生物可降解材料作为衬底，所述生物可兼容/可降解衬底具有柔性的特征；2)在上述生物可兼容/可降解衬底上构建第一层功能器件层，所述功能器件层所需要的材料均为生物可兼容、生物可降解材料；3)对上述功能器件层进行封装，所述封装层所需要的材料均为生物可兼容、生物可降解材料；4)所述功能器件层和封装层重复堆叠一次或者多次，其中不同器件层具有相同或者不同的医疗功能。

可选的，所述生物可兼容及可降解衬底材料主要包括蚕丝蛋白、乳酸-羟基醋酸共聚物(PLGA)、米纸(rice paper)、聚已酸内酯(PCL)、聚羟基乙酸(PGA)。

可选的，所述生物可兼容及可降解衬底制备方法包括旋涂法或者滴定法，最终得到的衬底的厚度为1～500m。

可选的，所述功能器件层包括主动元器件、被动元器件以及由两者组成的功能性电子线路。

可选的，所述功能器件层所需要的金属材料包括Zn、Mg、Fe、W、Mo；介质材料包括SiO2、Si3N4、MgO、可降解聚合物；半导体材料包括Si、Ge、SiGe、ZnO。

可选的，所述的生物可降解电子器件层包括晶体管、忆阻器、二极管、电阻、电感、电容等单一元件，或者由上述元件所组成的集成系统。

可选的，所述封装层包括无机SiO2、Si3N4、MgO，或有机蚕丝蛋白、乳酸-羟基醋酸共聚物(PLGA)、米纸(rice paper)、聚已酸内酯(PCL)、聚羟基乙酸(PGA)等。

本发明所述方法的工艺流程图，该方法包括以下步骤：

1)如图一所示，将生物可降解衬底前驱体以旋涂法或者滴定法的方式涂敷于临时衬底，在本特例中，生物可降解衬底为滴定法得到的PLGA，临时衬底为硅片；

2)如图二所示，在生物可降解衬底上构建监测器件层，用于原位监测治疗器件的疗效，在本特例中，所使用的监测器件为硅基病毒传感器；

3)如图二所示，在监测器件层上构建封装层1，在本特例中，所使用的封装层1为旋涂法得到的PLGA薄膜；

4)如图三所示，在封装层1上构建治疗器件，用于加快感染伤口的愈合，在本特例中，所构建的治疗器件为Mg基热疗器件；

5)如图三所示，在治疗器件上构建封装层2，用于阻止组织液对治疗器件的快速降解，在本特例中，所构建的封装层2为氧化硅/氮化硅多层结构，以使治疗器件寿命大于预计感染伤口愈合时间；

6)如图四所示，将所构建的堆叠式多功能瞬态医疗芯片从临时衬底上剥离；

7)如图五所示，将所构建的柔性堆叠式多功能瞬态医疗芯片与病变器件紧密贴合，注意：在实际中生命体器官应为曲面，为简便起见，本示意图以平面代替；

8)当封装层2和治疗器件被生命体内的组织液完全降解后，利用硅基病毒传感器检测原病变器官的生命特征，从而监测治疗器件的疗效；当监测工作完成后，可以被组织液降解；至此，多功能瞬态医疗芯片的制备、工作、及降解都已完成。

需要指出的是，本实施例中为了方便起见，所述生物可降解多功能瞬态医疗芯片以基于Mg的热疗器件作为治疗器件，以基于硅的病毒传感器作为监测器件为例进行说明本发明的思路以及材料与器件的制备方法，但对于具有其他功能的三维堆叠式多功能瞬态医疗芯片，同样在本发明的保护范围内。

综上所述，本发明所提出的三维堆叠式多功能瞬态医疗芯片，涉及到构建两层或者两层以上的功能器件层，该多功能医疗芯片的特点主要包括：1)由两层或两层以上的器件堆叠而成；2)不同对叠层的器件拥有相同或者不同的医疗功能；3)制备器件所需要的材料全部由生物可降解电子材料组成；4)不同器件层之间由不同生物可降解绝缘材料进行封装。本发明能够加快新型医疗电子器件的快速发展，特别是对于提高瞬态医疗电子器件的多功能集成、降低病患医疗成本等方面具有深远的意义。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。