CN114469109B - 基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极及其制造方法。该基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极包括多块电极片，所述电极片包括微针电极和固定所述微针电极的衬底，所述微针电极呈锥状，所述微针电极的底部固定于所述衬底，所述微针电极包括水凝胶电解液层和有机金属多孔聚合物层，单个所述衬底上集成有多个所述微针电极。基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极的制造方法包括通过3D打印技术和微纳加工技术制造所述微针电极；将所述微针电极固定于所述衬底；以及将导线的一端连接于所述微针电极，或者所述导线通过所述衬底连接于所述微针电极。
Description
技术领域
本申请属于医疗器械领域，具体涉及一种基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极及其制造方法。
背景技术
在脑科学迅猛发展的时代，脑机接口技术已经被应用在人们的日常生活中。其中以脑电图(EEG)的应用最为广泛。在传统的脑电图监测过程中，所采用的均是贴片电极，在使用过程中需要解决导电膏失水而造成的信号干扰等问题，同时贴片电极的脑电采集时间比较短，无法实现长时间脑电监测。
因此，相比于贴片电极的采集时间短及导电膏干涸等问题，微针电极深入皮肤生发层，采集类体液环境下的表皮脑电信号，能显著增强脑电信号强度。
但现有的微针电极，多为硅基微针电极。硅微针虽然表面光滑，但质脆，信号采集质量差。
发明内容
为了改善或解决背景技术中提到的至少一个问题，本申请提供了一种基于有机金属多孔聚合物的基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极及其制造方法。
本申请提供的基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极包括多块电极片，
所述电极片包括微针电极和固定所述微针电极的衬底，
所述微针电极呈锥状，所述微针电极的底部固定于所述衬底，所述微针电极包括水凝胶电解液层和有机金属多孔聚合物层，
单个所述衬底上集成有多个所述微针电极。
在至少一个实施方式中，所述水凝胶电解液层位于所述微针电极的锥尖一侧，所述水凝胶电解液层包含水凝胶和金属盐。
在至少一个实施方式中，所述水凝胶电解液层的金属盐包括氯化钠、氯化锂、氯化钾中的至少一种，所述水凝胶电解液层的水凝胶的制备材料包括丙稀酸盐。
在至少一个实施方式中，所述有机金属多孔聚合物层包括有机金属多孔聚合物，所述有机金属多孔聚合物层位于所述微针电极的非锥尖一侧。
在至少一个实施方式中，所述衬底的材料包括环氧树脂、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚对二甲苯中的至少一种。
在至少一个实施方式中，所述微针电极的轴向高度为100～600微米。
在至少一个实施方式中，所述基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极包括导线，所述导线与所述电极片呈岛桥状连接。
在至少一个实施方式中，所述导线为蛇形可延展导线。
本申请提供的基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极的制造方法中的基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极为上述的基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极，所述基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极的制造方法包括：
通过3D打印技术和微纳加工技术制造所述微针电极；
将所述微针电极固定于所述衬底；以及
将导线的一端连接于所述微针电极，或者所述导线通过所述衬底连接于所述微针电极。
在至少一个实施方式中，所述基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极的制造方法包括：通过柔性电子的集成和封装工艺，将多个所述微针电极和多个所述衬底制备成阵列，集成在帽式结构中。
本申请的微针电极呈锥形，微针电极包括可以替代导电膏的水凝胶电解液层和产生电化学反应的有机金属多孔聚合物层，可以实现低阻抗精准采集脑电信号的功能。
附图说明
图1示出了根据本申请实施方式的基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极的电极片截面示意图。
图2示出了根据本申请实施方式的基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极的整体示意图。
图3示出了根据本申请实施方式的基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极的岛桥连接结构示意图。
图4示出了根据本申请实施方式的基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极设置于脑部的示意图。
附图标记说明
1电极片；2微针电极；3水凝胶电解液层；4有机金属多孔聚合物层；5衬底；6导线；7中间接线盒。
具体实施方式
下面参照附图描述本申请的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本申请，而不用于穷举本申请的所有可行的方式，也不用于限制本申请的范围。
本申请提供了基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极。如图1、2所示，本申请提出的基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极包括电极片1和导线6。
如图3、4所示，电极片1可以有多个，可以按照国际脑电图电极安放标准，例如国际临床神经电生理联盟(IFCN)关于头皮脑电电极安放标准指南(2017)，或其他标准，将电极片1设置在脑部的相应位置。
如图1所示，电极片1包括锥形的微针电极2和固定微针电极2的衬底5。微针电极2的底部固定于衬底5。其中，每块衬底5上相邻的微针电极2之间的最近距离可以不大于0.5mm，优选地，最近距离为0.3～0.5mm。微针电极2高可以为0.1～0.6mm，优选地，高为0.26～0.3mm。相邻的衬底5之间的最近距离可以为0.3～0.5cm。衬底5的与微针电极2接触的面可以为圆形、矩形、长圆形、椭圆形或其他形状，衬底5的底面积可以为0.3cm2～1cm2，衬底5的厚度可以为30μm。在本申请的一个实施方式中，衬底5的底面为3mm×3mm的矩形，面积为9mm2，其上可以集成16～25个微针电极2。
本申请可以实现微针电极的高密度设置，高密度是指结合上述衬底5及微针电极2的尺寸特征和脑电图安放标准，本申请可以实现128导(脑部设置128个电极片1)甚至256导及以上的排布密度。高密度的微针脑电极可以指数级地提高脑电图信号的空间分辨率，可以实现对脑电信号的精准采集。
一般来说，脑电极与头皮表面的接触阻抗主要来自于角质层，本申请将微针电极2穿透角质层，伸入生发层，在生发层采取脑电信号，可以极大地减小接触阻抗。锥形的微针电极2相比于其他形状的普通电极，更容易穿过浓密毛发的阻挡。结合上述的微针电极2的毫米级尺寸特征，微针电极2可以轻易穿过毛发，刺入生发层采集信号，极大地减小接触阻抗，得到的脑电信号质量更高。
进一步地，如图1所示，微针电极2可以包括位于锥尖一侧的水凝胶电解液层3和非锥尖一侧的有机金属多孔聚合物层4。水凝胶电解液层3中可以包含氯化钠、氯化锂、氯化钾等金属盐类，水凝胶的制备材料可以包括丙烯酸盐等。水凝胶电解液层3具有导电作用，可以接触生发层，替代传统的导电膏。本申请的电极属于干电极，相比于需要涂导电膏的湿电极，干电极不需要涂导电膏不易发生短路，可以显著提升电极的分布密度。
有机金属多孔聚合物层4是利用有机配体与金属离子间的配位作用通过自组装形成的具有周期性网状骨架结构的多孔材料，有机金属多孔聚合物层4中的有机金属多孔聚合物(POMPs)为现有技术。有机金属多孔聚合物包含金属有机框架材料(MOFs)，可以提供很多活性位点。发明人发现，将有机金属多孔聚合物应用于脑电极技术中，作为电化学反应中的离子电子转换层，可以极大增加微针电极与生发层之间的电化学反应速率。
本申请提出的水凝胶电解液层3和有机金属多孔聚合物层4可以起到对微针电极2、生发层之间的电化学反应的调控作用，促进脑电极接触阻抗进一步降低，提升脑电信号的采集质量。将有机金属多孔聚合物应用于脑电极技术是本领域技术人员不容易想到的。本申请对水凝胶电解液层3和有机金属多孔聚合物层4在微针电极2中的尺寸占比不限制，水凝胶电解液层3和有机金属多孔聚合物层4在使用时都可以接触到生发层。
进一步地，衬底5可以用柔性材料制成，例如环氧树脂(SU-8)、聚酰亚胺(PI)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对二甲苯(Parylene)、医用辅料等。相比于现有技术中的硬质衬底，柔性材料可以使佩戴更紧密更舒适。
进一步地，导线6可以为蛇形可延展导线，导线6与电极片1通过分级互联岛桥结构或其他连接结构相连。蛇形可延展导线作为导电连接部分，可以使设备整体具有柔性可拉伸，可按压的特点，具有易与头皮表面共形的特点。如图3所示，岛桥结构是指，电极片1(衬底5与微针电极2)作为“岛”，导线6作为“桥”，通过岛、桥的分级互联，实现脑电极与中间接线盒7(或称，脑机接口)的连接。
进一步地，本申请(特别是电极片1)可以通过3D打印和微纳加工的方式制备，实现基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极的一体化制造。可以通过柔性电子的集成和封装工艺，按照国际脑电图电极安放标准将电极片制备成阵列，集成在帽式结构中(图中未示出)，实现脑电采集设备的可穿戴以及柔性化。
使用时，可以先清洁头皮区域，将基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极通过按压的方法置入头皮，微针电极2置入生发层。电极片1、导线6、中间接线盒7连接完毕后，中间接线盒7外接相关装置(例如脑电仪)及配套后端算法，实时处理脑电信号。
本申请通过3D打印技术和微纳加工技术，制备具备柔性复合材料的微针电极。通过柔性电子的集成和封装工艺，一体化制备微针电极阵列。微针可以穿过头发，直接刺入头皮的生发层，实现低接触阻抗的脑电信号的实时采集和监测，有效移除尾迹影响。
以上所述是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本领域技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极，其特征在于，
所述基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极包括多块电极片(1)，
所述电极片(1)包括微针电极(2)和固定所述微针电极(2)的衬底(5)，
所述微针电极(2)呈锥状，所述微针电极(2)的底部固定于所述衬底(5)，所述微针电极(2)包括水凝胶电解液层(3)和有机金属多孔聚合物层(4)，所述有机金属多孔聚合物层(4)包括有机金属多孔聚合物，所述有机金属多孔聚合物层(4)位于所述微针电极(2)的非锥尖一侧，
单个所述衬底(5)上集成有多个所述微针电极(2)。
2.根据权利要求1所述的基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极，其特征在于，
所述水凝胶电解液层(3)位于所述微针电极(2)的锥尖一侧，所述水凝胶电解液层(3)包含水凝胶和金属盐。
3.根据权利要求2所述的基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极，其特征在于，
所述水凝胶电解液层(3)的金属盐包括氯化钠、氯化锂、氯化钾中的至少一种，所述水凝胶电解液层(3)的水凝胶的制备材料包括丙稀酸盐。
4.根据权利要求1所述的基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极，其特征在于，
所述衬底(5)的材料包括环氧树脂、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚对二甲苯中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极，其特征在于，
所述微针电极(2)的轴向高度为100～600微米。
6.根据权利要求1所述的基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极，其特征在于，
所述基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极包括导线(6)，所述导线(6)与所述电极片(1)呈岛桥状连接。
7.根据权利要求6所述的基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极，其特征在于，
所述导线(6)为蛇形可延展导线。
8.一种基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极的制造方法，其特征在于，
所述基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极为权利要求1至7中任一项所述的基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极，所述基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极的制造方法包括：
通过3D打印技术和微纳加工技术制造所述微针电极(2)；
将所述微针电极(2)固定于所述衬底(5)；以及
将导线(6)的一端连接于所述微针电极(2)，或者所述导线(6)通过所述衬底(5)连接于所述微针电极(2)。
9.根据权利要求8所述的基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极的制造方法，其特征在于，
所述基于有机金属多孔聚合物的微针脑电极的制造方法包括：通过柔性电子的集成和封装工艺，将多个所述微针电极(2)和多个所述衬底(5)制备成阵列，集成在帽式结构中。
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| CN111772630A (zh) * | 2020-07-15 | 2020-10-16 | 清华大学 | 具有凝胶微针脑电极的脑机接口 |
| CN113130985A (zh) * | 2020-01-14 | 2021-07-16 | 通用汽车环球科技运作有限责任公司 | 锂金属电池的基于金属-有机骨架的复合电解质 |
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2022
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