CN101884530A - 用于记录神经活动电信号的柔性探针电极及其植入工具 - Google Patents

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李晓倩
裴为华
郭凯
王宇
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Abstract

本发明公开了一种用于记录神经活动电信号的柔性探针电极，包括：柔性基底、电极位点、金属连线、引线焊点和柔性绝缘层，其中，电极位点和金属连线均设置在柔性基底上，每个电极位点由引出的金属连线连接到对应的引线焊点上，金属连线表面有柔性绝缘层，电极位点和金属焊点处没有柔性绝缘层。本发明还公开了一种将该柔性探针电极刺入组织内的植入工具。利用本发明，使电极具有很好的柔性和生物相容性，减小组织损伤，从而保证了电极工作的长期稳定性，解决了柔性电极自身硬度无法满足植入硬度的问题，改善了现有的探针式电极容易造成组织损伤及电极长期记录电信号不稳定的不足。

Description

用于记录神经活动电信号的柔性探针电极及其植入工具
技术领域
本发明涉及神经生物学、材料科学与微电子学技术领域，尤其涉及一种用于记录神经活动电信号的柔性探针电极，以及将该柔性探针电极刺入组织内的植入工具。
背景技术
电极，作为提取电生理活动信号的关键器件，用于对生物组织进行功能性电刺激或记录生物活动电信号，在许多情况下，需要将电极刺入生物组织中以达到记录的目的。目前用于记录神经活动电信号的电极都是基于硅、金属或玻璃等有一定强度的材料，这些材料的电极因其具有很好的强度和硬度可以很容易的被刺入生物组织内并保证刺入位置的精确性。但是，处于柔软组织之间的高硬度的电极在生物相容性方面表现极差，会造成植入失败或一段时间后探针电极工作失效。这是由于被刺入的电极由于硬度很高，长期放在生物体内会损伤其周围的神经细胞，令其退化甚至死亡，使探针电极丧失记录的对象，从而导致植入失败。即使探针电极被刺入很长一段时间内，神经细胞完全没有被损伤，但由于探针式电极长期植入后会引发机体的排斥反应，使得在其周围会形成一层鞘状纤维层组织，影响电极的记录效果，导致电极长期工作的稳定性受到影响。并且生物体的移动还会造成电极记录位置的轻微改变，而电极的高硬度无法使其变形以适应这种改变，也会导致记录电信号的长期不稳定性。
为了保持记录的电信号的长期稳定性且不损伤神经组织和细胞，本发明提出了一种基于聚合物衬底的柔性探针电极。这种电极由于采用生物相容性好的聚合物材料作为柔性衬底，能够弯曲变形以适应记录位置的改变，因此不容易引起神经细胞损伤，但由于其硬度很低，不容易甚至无法被刺入柔软的生物组织内，更不可能保证刺入位置的精确性。因此，在柔性探针电极的基础上，本发明又提出了帮助其刺入组织的植入工具。两者结合可以既保持了现有的探针式电极的优点又弥补了其不足。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于记录神经活动电信号的柔性探针电极及其植入工具，以保证电极工作的长期稳定性，解决柔性电极自身硬度无法满足植入硬度的问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种用于记录神经活动电信号的柔性探针电极，包括：柔性基底、电极位点、金属连线、引线焊点和柔性绝缘层，其中，电极位点和金属连线均设置在柔性基底上，每个电极位点由引出的金属连线连接到对应的引线焊点上，金属连线表面有柔性绝缘层，电极位点和金属焊点处没有柔性绝缘层。
上述方案中，所述金属连线采用能够与生物相容的金、铂、氮化钛或氧化铱。
上述方案中，所述柔性基底和柔性绝缘层均采用能够与生物相容的聚酰亚胺或聚对二甲苯。
为达到上述目的，本发明还提供了一种植入工具，包括载体和载体的表面修饰，载体是采用能够与生物相容且有一定硬度的材料制作而成的，载体的表面修饰是采用聚乙二醇制作而成的。
上述方案中，所述制作载体的能够与生物相容且有一定硬度的材料是硅或玻璃。
上述方案中，所述载体的表面修饰是采用在高温下热熔的聚乙二醇涂覆在载体上实现的。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种用于记录神经活动电信号的柔性探针电极及其植入工具，通过采用生物相容性好的聚合物材料作为探针式电极的绝缘材料，可以使电极具有很好的柔性和生物相容性，减小组织损伤，从而保证了电极工作的长期稳定性；采用硬度高且生物相容性好的材料来制作植入工具，利用生物相容性好的材料聚乙二醇(PEG)使二者结合，使柔性探针电极容易被精确的刺入到记录位置，解决了柔性电极自身硬度无法满足植入硬度的问题。
2、本发明与目前使用的硬度较高的基于硅、金属丝或玻璃的探针式电极相比，既保留了能够容易的精确刺入要记录位置的优点，又改善了现有的探针式电极容易造成组织损伤及电极长期记录电信号不稳定的不足。
附图说明
图1为本发明中柔性探针电极制作方法的工艺流程图；
图2为本发明中柔性探针电极未盖上层绝缘层的结构示意图；
图3为本发明中柔性探针电极整体形貌的结构示意图；
图4为本发明中载体制作方法的工艺流程图；
图5为本发明中载体整体形貌的结构示意图；
图6为本发明实施例在图2电极与图4载体相粘接后整体结构的结构示意图；
图7为本发明实施例在图5整体结构刺入生物体内的结构示意图；
图8为本发明实施例在图4载体从生物体内拔出的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的这种用于记录神经活动电信号的柔性探针电极，包括柔性基底、电极位点、金属连线、引线焊点和柔性绝缘层，其中，电极位点和金属连线均设置在柔性基底上，每个电极位点由引出的金属连线连接到对应的引线焊点上，金属连线表面有柔性绝缘层，电极位点和金属焊点处没有柔性绝缘层。金属连线采用能够与生物相容的金、铂、氮化钛或氧化铱等材料。柔性基底和柔性绝缘层均采用能够与生物相容的聚酰亚胺或聚对二甲苯等材料。
本发明提供的这种用于记录神经活动电信号的柔性探针电极，还可以被分为三个区域，即一个功能区域、一个连线区域和一个焊盘区域。其中功能区域包含可实现记录神经活动电信号或进行刺激的电极位点，连线区域包含可实现使功能区域和焊盘区域形成一一对应电连接的连线结构，焊盘区域包含可实现探针电极与与外部设备仪器进行电连接的金属焊盘结构。功能区域中的电极位点和焊盘区域中的金属焊盘结构都是在生物相容性好的柔性聚合物衬底上沉积金属膜形成，两者之间的连线区域则是一种两层聚合物材料中包夹一层金属膜的三明治结构。
本发明提供的这种植入工具，包括载体和载体的表面修饰，载体是采用能够与生物相容且有一定硬度的材料制作而成的，用于承载柔性探针电极。载体的表面修饰是采用聚乙二醇制作而成的，用于使柔性探针电极和载体粘接在一起。制作载体的能够与生物相容且有一定硬度的材料是硅或玻璃。载体的表面修饰是采用在高温下热熔的聚乙二醇涂覆在载体上实现的。
本发明所述的PEG具有在高于50度的条件下是液体，室温下会凝结成固体，凝结成固体的PEG会被生物体液溶解的性质。因此把热熔的PEG涂覆在载体区域，使柔性探针电极通过热熔PEG和载体吸附在一起，把它们放在室温下，PEG凝结成固体，使得柔性探针电极和载体粘接在一起形成一个具有很高硬度的整体，这个整体很容易被精确的刺入神经组织中要记录的位置。当这个整体被刺入生物组织后，用于粘接柔性探针电极和载体固体PEG遇到生物体液后被溶解掉，柔性探针电极和载体分离，此时，可以把载体拔离生物组织，只留下柔性探针电极在生物组织内用来记录神经活动电信号。当载体拔离生物组织时，并不会连带柔性探针电极使其偏离刺入位置，这是因为，以聚酰亚胺基底和硅为例，聚酰亚胺基底和硅都是疏水的，而在体内溶解掉的PEG溶液是亲水的，由于表面能的作用两疏水材料界面在水溶液中有很强的粘附力，而疏水材料界面和亲水材料界面在水溶液中没有粘附力，很容易被分开。
实施例1
下面结合附图以聚酰亚胺聚合物为例进一步说明本发明基于聚合物基底的柔性探针式电极的制备方法
1、浸泡硅片1于浓硫酸和双氧水的混合液中(5∶1)煮沸，用大量去离子水冲洗干净，吹干，250°烘箱内热烘，除去硅片表面水分。蒸发300nm厚的金属铝2作为牺牲层，(如图1(a)所示)。
2、旋涂聚酰亚胺光刻胶3，前烘，形成底层的聚酰亚胺薄膜，光刻出电极形貌，最后用阶梯升温的方法进行固化，得到厚约5微米的聚酰亚胺薄膜被用作微电极的底层绝缘材料，(如图1(b)所示)。
3、使用金属溅射和带胶剥离(lift-off)工艺，形成图形化的钛金金属薄膜4。此Ti/Au金属层4用以形成电极的电极点，连接线以及外部引线的焊点，(如图1(c)所示)。
4、在金属层4上再次通过甩胶，前烘的方法形成上层聚酰亚胺薄膜3，光刻出电极形貌以及电极位点和焊点，最后固化，得到厚约5微米的聚酰亚胺薄膜被用作微电极的上层绝缘材料，(如图1(d)所示)。
5、采用酸腐蚀或电化学腐蚀的方法刻腐蚀掉Al牺牲层2，使电极10从硅基片1上释放下来，(如图1(e)所示)。
实施例2
下面结合附图以硅材料为例进一步说明载体的制作方法
1、准备SOI基片7并清洗，(如图4(a)所示)。
2、旋涂光刻胶，前烘后光刻出载体11形貌，(如图4(b)所示)。
3、用HF腐蚀掉SOI基片7中的SiO2层6，使载体11释放下来，(如图4(c)所示)。
实施例3
下面结合附图进一步说明在植入工具的帮助下，柔性探针电极刺入生物组织内的方法。
1、将热熔的PEG涂覆在载体11上，用镊子9夹住柔性探针电极10，把它放在载体11上，然后冷却，PEG固化，此时载体11、电极10和固体PEG 8形成一个坚硬的整体，(如图6所示)。
2、用镊子9把探针电极10刺入生物组织12内要记录的位置，固体PEG 8遇体液溶解，(如图7所示)。
3、把载体11用镊子9从体内拔出，只留柔性探针电极10在体12内，(如图8所示)。
利用该方法具有容易精确刺入记录位置，不会造成组织损伤以及长期记录的电信号可靠性好等优点。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于记录神经活动电信号的柔性探针电极，包括：柔性基底、电极位点、金属连线、引线焊点和柔性绝缘层，其中，电极位点和金属连线均设置在柔性基底上，每个电极位点由引出的金属连线连接到对应的引线焊点上，金属连线表面有柔性绝缘层，电极位点和金属焊点处没有柔性绝缘层。
2.根据权利要求1所述的用于记录神经活动电信号的柔性探针电极，其特征在于，所述金属连线采用能够与生物相容的金、铂、氮化钛或氧化铱。
3.根据权利要求1所述的用于记录神经活动电信号的柔性探针电极，其特征在于，所述柔性基底和柔性绝缘层均采用能够与生物相容的聚酰亚胺或聚对二甲苯。
4.一种植入工具，包括载体和载体的表面修饰，载体是采用能够与生物相容且有一定硬度的材料制作而成的，载体的表面修饰是采用聚乙二醇制作而成的。
5.根据权利要求4所述的植入工具，其特征在于，所述制作载体的能够与生物相容且有一定硬度的材料是硅或玻璃。
6.根据权利要求4所述的植入工具，其特征在于，所述载体的表面修饰是采用在高温下热熔的聚乙二醇涂覆在载体上实现的。
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