CN106510678B - 一种褶皱神经电极阵列***及其制备方法 - Google Patents

一种褶皱神经电极阵列***及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及微加工技术领域，尤其涉及一种褶皱神经电极阵列***及其制备方法，包括封装体、外部转接口和经过褶皱处理的电极阵列，封装体包括弹性衬底和绝缘体，电极阵列与弹性衬底的上表面贴合，电极阵列与外部转接口通过外引线连接，绝缘体贴覆于弹性衬底与外部转接口上，以将电极阵列与外引线封装于封装体内，绝缘体上设有缺口，电极阵列包括一个或多个神经电极，缺口暴露神经电极的有效检测部位。本发明通过将电极阵列进行褶皱处理使神经电极的平面投影面积减小，在不损失神经电极的信噪比的情况下，提高电极空间分辨率，兼具较高的空间分辨率和灵敏度，用于神经电信号的监测和记录，与生物组织力学性能相互匹配，具有更优的生物兼容性。

Description

一种褶皱神经电极阵列***及其制备方法
技术领域
本发明涉及微加工技术领域，尤其涉及一种褶皱神经电极阵列***及其制备方法。
背景技术
大脑是自然界中结构最为复杂的***，主要由数百种不同类型、总数达1011的神经细胞(或称“神经元”)组成。每个神经元在形态上具有用于输出信号的轴突和接收输入信号的树突，一个神经元的轴突与另一个神经元的树突形成的联结点称“突触”；突触是神经元之间信息传递的桥梁；每个神经元平均与数千个其它神经元形成突触联结，从而形成神经环路。脑功能相关的神经电信号通过神经环路进行传递和处理，阐明神经环路的工作机制是脑科学的核心目标。电生理检测技术是最早应用，也是最直接的检测神经电信号的手段，被作为神经电信号检测领域的“黄金标准”(Gold Standard)。电生理检测技术的工作模式是直接将金属电极、玻璃电极或者硅电极等贴近目标神经区域，记录跨膜离子流引起的电信号变化。这种工作模式决定了神经电极的三个发展方向：1、缩小单个神经电极的尺寸，进而实现精准测量(单细胞测量、亚细胞结构测量)；2、提高神经电极集成度(大量神经元同步测量、跨脑区协同测量)；3、优化神经材料，提高神经电极的生物兼容性(减少组织伤害、形成稳定界面、长期测量)。然而，对于传统神经电极来说，噪声强度S与电极尺寸A成反比关系(S∝1/A)，缩小电极尺寸意味着降低信噪比，当信噪比低于检测限度就会导致电极失效。此外，传统电极材料(铂丝、钨丝、不锈钢、硅等)为刚性材料，容易对生物组织造成伤害，难以实现长时间稳定测量。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是解决现有技术中若减小神经电极尺寸，则会降低信噪比容易导致电极失效，难以同时提高神经电极的空间分辨率并保证神经电极具有较高的信噪比的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种褶皱神经电极阵列***，包括封装体、外部转接口和经过褶皱处理的电极阵列，所述封装体包括弹性衬底和绝缘体，所述电极阵列与所述弹性衬底的上表面贴合，所述电极阵列与所述外部转接口通过外引线连接，所述绝缘体贴覆于所述弹性衬底与所述外部转接口上，以将所述电极阵列与所述外引线封装于所述封装体内，所述绝缘体上设有缺口，所述电极阵列包括一个或多个神经电极，所述缺口暴露所述神经电极的有效检测部位。
其中，所述电极阵列还包括内引线，所述内引线一端与所述神经电极连接，另一端具有粘合位点，所述粘合位点通过所述外引线与所述外部转接口连接。
其中，所述内引线与所述神经电极一体成型。
其中，所述神经电极为全碳石墨烯器件。
其中，还包括支撑体，所述支撑体与所述弹性底衬的下表面和所述外部转接口的下表面连接。
本发明还提供了一种褶皱神经电极***的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，制备弹性衬底；
步骤2，在沉积SiO2的Si衬底上制备电极阵列；
步骤3，对步骤2中制备完成的电极阵列进行剥离；
步骤4，将步骤3中剥离后的电极阵列贴合至弹性衬底上进行褶皱处理；
步骤5，将步骤4完成褶皱处理的弹性衬底固定在支撑体上，将外部转接口固定在支撑体上；
步骤6，将外引线的一端固定在步骤5中完成褶皱处理的电极阵列的粘合位点上，另一端固定在步骤6中的外部转接口上；
步骤7，将绝缘体贴覆于步骤6中的弹性底衬、外引线和外部转接口上，并使绝缘体上设置的缺口暴露出电极阵列的神经电极的有效监测部位。
其中，步骤4具体包括以下步骤：
步骤41，将步骤1中制备完成的弹性衬底拉伸；
步骤42，将步骤3中剥离后的电极阵列贴合至步骤41中拉伸后的弹性衬底上；
步骤43，释放弹性衬底使电极阵列与弹性衬底一起收缩，得到褶皱处理过的电极阵列。
其中，步骤3具体包括以下步骤：
步骤31，在步骤2中制备完成的电极阵列上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯并烘干，旋涂的转速为2000rpm～4000rpm，烘干温度为115℃，烘干时长为3min；
步骤32，在步骤31的聚甲基丙烯酸甲酯上旋涂聚乙烯醇并烘干，旋涂的转速为1000rpm～4000rpm，烘干温度为80℃，烘干时长为3min；
步骤33，将步骤32中完成旋涂和烘干的电极阵列放入二氧化硅刻蚀液中，使电极阵列由沉积SiO2的Si衬底上剥离并翻转；
步骤34，将步骤33中完成剥离的电极阵列转移至去离子水中并加热，加热温度为80℃，加热时长为30min。
其中，步骤1中制备完成的弹性衬底的厚度为0.2mm～1mm；步骤31中旋涂聚甲基丙烯酸甲酯的厚度为100nm～200nm，步骤32中旋涂聚乙烯醇的厚度为20nm～500nm。
其中，步骤41中，弹性衬底双向拉伸100％～400％。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明褶皱神经电极阵列***及其制备方法通过封装体覆盖电极阵列的内引线、粘合位点、外引线和外部转接口的焊盘，并在封装体的绝缘体上设置缺口使电极阵列的神经电极的有效检测部位暴露，其中，电极阵列在外部机械压缩力作用下形成褶皱，即通过双向或单向压缩形成具有褶皱结构的神经电极，压缩后的神经电极的活性面积不变，但平面投影面积减小，因此能够保证在不损失神经电极的信噪比的情况下，通过压缩减小神经电极的平面投影面积，提高电极空间分辨率，使整个褶皱神经电极阵列***具有较高的空间分辨率和灵敏度，可用于神经电信号的监测和记录。本发明褶皱神经电极阵列***属于柔性电极，与生物组织力学性能相互匹配，具有更优的生物兼容性。
除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。
附图说明
图1是本发明实施例一褶皱神经电极阵列***的结构示意图；
图2是本发明实施例一褶皱神经电极阵列***的电极阵列的结构示意图；
图3是本发明实施例一褶皱神经电极阵列***的封装体的结构示意图；
图4是本发明实施例二褶皱神经电极***的制备方法的剥离前电极阵列的结构示意图；
图5是本发明实施例二褶皱神经电极***的制备方法的剥离后电极阵列的结构示意图；
图6是本发明实施例一褶皱神经电极阵列***的神经电极转移特性曲线随着压缩量增加的变化示意图；
图7是本发明实施例一褶皱神经电极阵列***的神经电极在开电流和跨导随压缩的变化趋势示意图；
图8是本发明实施例一褶皱神经电极阵列***测量大鼠癫痫脑电信号的实验结果示意图。
图中：1：封装体；2：外部转接口；3：电极阵列；4：外引线；5：支撑体；11：弹性衬底；12：绝缘体；31：神经电极；32：内引线；33：粘合位点；120：缺口；301：聚乙烯醇；302：聚甲基丙稀酸甲酯；303：二氧化硅；304；硅。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。
实施例一
如图1、图2和图3所示，本发明实施例一提供的褶皱神经电极阵列***，包括封装体1、外部转接口2和经过褶皱处理的电极阵列3，封装体1包括弹性衬底11和绝缘体12，电极阵列3与弹性衬底11的上表面贴合，电极阵列3与外部转接口2通过外引线4连接，绝缘体12贴覆于弹性衬底11与外部转接口2上，以将电极阵列3与外引线4封装于封装体1内，绝缘体12上设有缺口120，电极阵列3包括一个或多个神经电极31，缺口120暴露神经电极31的有效检测部位。
本发明褶皱神经电极阵列***通过封装体覆盖电极阵列的内引线、粘合位点、外引线和外部转接口的焊盘，并在封装体的绝缘体上设置缺口使电极阵列的神经电极的有效检测部位暴露，其中，电极阵列在外部机械压缩力作用下形成褶皱，即通过双向或单向压缩形成具有褶皱结构的神经电极，压缩后的神经电极的活性面积不变，但平面投影面积减小，因此能够保证在不损失神经电极的信噪比的情况下，通过压缩减小神经电极的平面投影面积，提高电极空间分辨率，使整个褶皱神经电极阵列***具有较高的空间分辨率和灵敏度，可用于神经电信号的监测和记录。本发明褶皱神经电极阵列***属于柔性电极，与生物组织力学性能相互匹配，具有更优的生物兼容性。
其中，如图2所示，电极阵列3还包括内引线32，内引线32一端与神经电极31连接，内引线32另一端具有粘合位点33，粘合位点33通过外引线4与外部转接口2连接。电极阵列的内引线端部为粘合位点，粘合位点的宽度大于内引线的宽度，便于外引线的固定。外引线为铂丝或者其他具有生物兼容性的导电线，外引线一端用导电银浆固定在内引线的粘合位点上，另一端焊接在外部转接口的焊盘上。
其中，内引线32与神经电极31一体成型。内引线与神经电极采用无缝连接、一体成型，这种一体化结构设计能够优化神经电极阵列***的力学性能，保证了电极阵列在褶皱压缩过程中不损害神经电极的电气完整性。
其中，神经电极31为全碳石墨烯器件。优选的，本实施例的神经电极采用全碳石墨烯器件。由碳纳米材料材料构成的全碳石墨烯器件具有良好的电学性能和机械性能，能够保证神经电极在褶皱化处理过程中电学性能的稳定性。全碳石墨烯器件的神经电极包括由石墨烯与碳纳米管杂化膜构成的接触电极和由石墨烯构成沟道。石墨烯零带隙的半导体材料，在室温电子弹道输运距离达到微米，具有极高电子迁移率。二维单原子层结构使得石墨烯具有极高比表面积，适合于制备高灵敏度传感器。碳纳米管是由石墨烯卷曲而成，具有金属性和半导体性两种类型，而悬浮生长的碳纳米管网状薄膜主要表现出金属性的导电特征，而且具有良好机械性能，是一种良好的柔性电极材料。结合两种碳纳米材料的优势，制备所得全碳石墨烯器件具有优越的力学性能，适合制备柔性、褶皱电子器件。
其中，本发明褶皱神经电极阵列***还包括支撑体5，支撑体5与弹性底衬11的下表面和外部转接口2的下表面连接。支撑体采用聚对苯二甲酸乙二醇酯，其厚度在0.5mm～1mm。支撑体为聚对苯二甲酸乙二醇酯或者其他具有生物兼容性的支撑材料。所述支撑体为具有生物兼容性的材料，能够提供支撑平台，方便神经电极阵列***的安装、移动等操作。
测量本实施例褶皱神经电极***的电极阵列在褶皱处理过程中其上的神经电极的电学稳定性，实验如下：
采用电极阵列的初始尺寸为100um×100um，压缩量变化区间为0％～80％；
测量指标：转移特性曲线、开电流和跨导；
测试结果：如图6所示，给出了褶皱神经电极转移特性曲线随着压缩量增加的变化，标准石墨烯器件所具有“V”型转移特性曲线并没有随着压缩量增加发生明显变化；如图7所示，给出了开电流、跨导随压缩的变化趋势，当压缩量达到80％时，开电流变化小于10％，跨导变化小于20％。稳定的电学特性说明，神经电极在表观面积压缩的过程中，电学性能相对稳定，表明本发明在不损失神经电极信噪比的情况下，提高神经电极的空间分辨率。
利用本发明褶皱神经电极阵列***测量大鼠癫痫脑电信号的实验如下：
为了进一步验证本发明褶皱神经电极阵列***的神经电极的工作情况，我们采用神经电极对大鼠癫痫状脑电信号做在体测量。
测试用神经电极的原始尺寸100um×100um，压缩量52％；
测试项目：青霉素诱导癫痫状信号；
测试结果：如图8所示，给出了30min连续记录信号，箭头指示处为青霉素注射时间点。注射前后，记录到的信号清楚分为三个区域，正常区间、静息区间和癫痫活动区间。这些特征与标准癫痫状信号出现的特征完全相符，再次验证本发明褶皱神经电极阵列***的功能。
实施例二
本发明实施例二提供的褶皱神经电极***的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，制备弹性衬底；
弹性衬底可选用SMOOTH-ON Ecoflex系列硅胶、聚二甲基硅氧烷或者3M VHB系列胶带。本实施例采用SMOOTH-ON Ecoflex系列硅胶Ecoflex 0030制作弹性衬底，取等量Ecoflex 0030A胶和Ecoflex 0030B胶混合均匀，真空脱泡后倒入预先准备的容器内静置固化。需要保证容器底面干净、平整。通过调整取胶量和容器容积，可以方便调控固化弹性衬底的厚度。
步骤2，在沉积SiO2的Si衬底上制备电极阵列；
在等待弹性衬底固化过程中，可以在沉积SiO2绝缘层的Si衬底上制备电极阵列，在制备电极阵列时神经电极和内引线采用一体成型、无缝连接，保证电极阵列在承受较大压缩褶皱形变的过程中能够保持良好的电气完整性。制备完成的电极阵列位于Si衬底上。
步骤3，对步骤2中制备完成的电极阵列进行剥离；
步骤4，将步骤3中剥离后的电极阵列贴合至弹性衬底上进行褶皱处理；
步骤5，将步骤4完成褶皱处理的弹性衬底切割成图3所示的形状并固定在支撑体上，再将外部转接口固定在支撑体上；
步骤6，将外引线的一端采用导电银浆固定在步骤5中完成褶皱处理的电极阵列的粘合位点上，另一端焊接固定在步骤6中的外部转接口上；
步骤7，将绝缘体贴覆于步骤6中的弹性底衬、外引线和外部转接口上，并使绝缘体上设置的缺口暴露出电极阵列的神经电极的有效监测部位。
封装体为聚二甲基硅氧烷或者SMOOTH-ON Ecoflex系列硅胶封装体。用硅胶封装体覆盖电极阵列的内引线、粘合位点、外引线和外部转接口的焊盘，暴露出神经电极。优选地，本实施例的硅胶封装体采用SMOOTH-ON Ecoflex 0030。
其中，步骤4具体包括以下步骤：
步骤41，将步骤1中制备完成的弹性衬底拉伸；
步骤42，将步骤3中剥离后的电极阵列贴合至步骤41中拉伸后的弹性衬底上；
步骤43，释放弹性衬底使电极阵列与弹性衬底一起收缩，得到褶皱处理过的电极阵列。
将弹性衬底双向拉伸0％～400％，并保持拉伸状态，然后将步骤3所得电极阵列贴在预拉伸衬底上，完美贴合后释放预拉伸，即可得到褶皱的电极阵列。
其中，步骤3具体包括以下步骤：
步骤31，在步骤2中制备完成的电极阵列上采用匀胶法旋涂聚甲基丙烯酸甲酯并热台加热烘干，旋涂的转速为2000rpm～4000rpm，烘干温度为115℃，烘干时长为3min；
步骤32，在步骤31的聚甲基丙烯酸甲酯上采用匀胶法旋涂聚乙烯醇并热台加热烘干，旋涂的转速为1000rpm～4000rpm，烘干温度为80℃，烘干时长为3min；
旋涂后电极阵列的整体结构如图4所示，自上而下依次为聚乙烯醇301、聚甲基丙稀酸甲酯302、电极阵列3、二氧化硅303和硅304。
步骤33，将步骤32中完成旋涂和烘干的电极阵列放入二氧化硅刻蚀液中，使电极阵列由沉积SiO2的Si衬底上剥离并翻转；
将旋涂后的电极阵列整体放入二氧化硅刻蚀液中，从电极阵列的一侧轻微地鼓入空气，随着二氧化硅的刻蚀，聚乙烯醇/聚甲基丙稀酸甲酯/电极阵列薄膜会从硅衬底上剥离下来，由于聚乙烯醇的亲水性，导致整个电极阵列发生翻转，翻转后自上而下顺序，如图5所示为电极阵列3、聚甲基丙烯酸甲酯302和聚乙烯醇301。
步骤34，将步骤33中完成剥离的电极阵列转移至去离子水中并加热，去除聚乙烯醇层，加热温度为80℃，加热时长为30min。
其中，步骤1中制备完成的弹性衬底的厚度为0.2mm～1mm；步骤31中旋涂聚甲基丙烯酸甲酯的厚度为100nm～200nm，步骤32中旋涂聚乙烯醇的厚度为20nm～500nm。优选地，本实施例中聚甲基丙稀酸甲酯的厚度在100nm～200nm之间。聚乙烯醇的厚度为50nm。
其中，步骤41中，弹性衬底双向拉伸100％～400％。本实施例中，弹性衬底厚度在0.2mm～1mm。
综上所述，本发明褶皱神经电极阵列***及其制备方法通过封装体覆盖电极阵列的内引线、粘合位点、外引线和外部转接口的焊盘，并在封装体的绝缘体上设置缺口使电极阵列的神经电极的有效检测部位暴露，其中，电极阵列在外部机械压缩力作用下形成褶皱，即通过双向或单向压缩形成具有褶皱结构的神经电极，压缩后的神经电极的活性面积不变，但平面投影面积减小，因此能够保证在不损失神经电极的信噪比的情况下，通过压缩减小神经电极的平面投影面积，提高电极空间分辨率，使整个褶皱神经电极阵列***具有较高的空间分辨率和灵敏度，可用于神经电信号的监测和记录。本发明褶皱神经电极阵列***属于柔性电极，与生物组织力学性能相互匹配，具有更优的生物兼容性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种褶皱神经电极阵列***，其特征在于：包括封装体、外部转接口和经过褶皱处理的电极阵列，所述封装体包括弹性衬底和绝缘体，所述电极阵列与所述弹性衬底的上表面贴合，所述电极阵列与所述外部转接口通过外引线连接，所述绝缘体贴覆于所述弹性衬底与所述外部转接口上，以将所述电极阵列与所述外引线封装于所述封装体内，所述绝缘体上设有缺口，所述电极阵列包括一个或多个神经电极，所述缺口暴露所述神经电极的有效检测部位；所述神经电极为全碳石墨烯器件，包括由石墨烯与碳纳米管杂化膜构成的接触电极和由石墨烯构成沟道；所述电极阵列还包括内引线，所述内引线一端与所述神经电极连接，另一端具有粘合位点，所述粘合位点通过所述外引线与所述外部转接口连接；所述内引线与所述神经电极无缝连接一体成型；所述电极阵列在外部机械压缩力作用下形成褶皱，通过双向或单向压缩形成具有褶皱结构的所述神经电极，以实现压缩后的所述神经电极的活性面积不变，平面投影面积减小。
2.根据权利要求1所述的褶皱神经电极阵列***，其特征在于：还包括支撑体，所述支撑体与所述弹性衬底的下表面和所述外部转接口的下表面连接。
3.一种如权利要求1或2所述的褶皱神经电极阵列***的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，制备弹性衬底；
步骤2，在沉积SiO2的Si衬底上制备电极阵列；
步骤3，对步骤2中制备完成的电极阵列进行剥离；
步骤4，将步骤3中剥离后的电极阵列贴合至弹性衬底上进行褶皱处理；
步骤5，将步骤4完成褶皱处理的弹性衬底固定在支撑体上，将外部转接口固定在支撑体上；
步骤6，将外引线的一端固定在步骤5中完成褶皱处理的电极阵列的粘合位点上，另一端固定在步骤6中的外部转接口上；
步骤7，将绝缘体贴覆于步骤6中的弹性衬底、外引线和外部转接口上，并使绝缘体上设置的缺口暴露出电极阵列的神经电极的有效监测部位；
步骤4具体包括以下步骤：
步骤41，将步骤1中制备完成的弹性衬底拉伸；
步骤42，将步骤3中剥离后的电极阵列贴合至步骤41中拉伸后的弹性衬底上；
步骤43，释放弹性衬底使电极阵列与弹性衬底一起收缩，得到褶皱处理过的电极阵列。
4.根据权利要求3所述的褶皱神经电极阵列***的制备方法，其特征在于：步骤3具体包括以下步骤：
步骤31，在步骤2中制备完成的电极阵列上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯并烘干，旋涂的转速为2000rpm～4000rpm，烘干温度为115℃，烘干时长为3min；
步骤32，在步骤31的聚甲基丙烯酸甲酯上旋涂聚乙烯醇并烘干，旋涂的转速为1000rpm～4000rpm，烘干温度为80℃，烘干时长为3min；
步骤33，将步骤32中完成旋涂和烘干的电极阵列放入二氧化硅刻蚀液中，使电极阵列由沉积SiO2的Si衬底上剥离并翻转；
步骤34，将步骤33中完成剥离的电极阵列转移至去离子水中并加热，加热温度为80℃，加热时长为30min。
5.根据权利要求4所述的褶皱神经电极阵列***的制备方法，其特征在于：步骤1中制备完成的弹性衬底的厚度为0.2mm～1mm；步骤31中旋涂聚甲基丙烯酸甲酯的厚度为100nm～200nm，步骤32中旋涂聚乙烯醇的厚度为20nm～500nm。
6.根据权利要求3所述的褶皱神经电极阵列***的制备方法，其特征在于：步骤41中，弹性衬底双向拉伸100％～400％。
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