CN115568938A - 一种分形结构微电极及其制备方法和导管 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分形结构微电极及其制备方法和导管，微电极包括：基底层，其上设有焊盘；导电层，位于基底层上方，导电层包括与焊盘电连接的电极点；电极点包括中心的阳极和外周的阴极，阳极和阴极的叉指结构交叉设置；封装层，位于导电层上方，暴露出电极点和焊盘；电极修饰层，形成于电极点上；通过阳极和阴极向心脏组织施加电脉冲，引起心脏细胞发生不可逆电穿孔消融。本发明的分形结构微电极，可以增加电极点绝缘边缘长度和面积的比值，更有助于电流从电极点传递至心脏组织；而且能够减小阳极和阴极的间距，降低心肌细胞发生不可逆电穿孔所需施加的电压。微电极集成在导管头部；导管可通过微创介入手术经由生物体的静脉或动脉进入心脏内部。

Description

一种分形结构微电极及其制备方法和导管

技术领域

本发明涉及生物医学工程技术领域，具体地，涉及一种分形结构微电极及其制备方法和导管。

背景技术

心房颤动已成为现代心脏病学中最严重的疾病之一，其发病率约为2％。在严重的情况下，它可能引起中风和痴呆等合并症，甚至死亡。脉冲场消融涉及应用高强度电场(心肌细胞为400V/cm)和短持续时间(μs或ns级别)的电脉冲，导致细胞膜上形成不可逆的纳米级孔洞，称为不可逆电穿孔。由于不可逆电穿孔的消融技术具有组织特异性和并发症少的优点，已成为治疗心房颤动的一种新型消融手段。

为了促进不可逆电穿孔消融技术走向临床应用，研究者们已经开发了几种类型的设备，可分为以下两类，即刚性电极(如波士顿科学公司的Farawave)和柔性电极(如软性多层电子阵列)。刚性电极具有较大的电极间距，因此需要电压幅值高达数千伏的电脉冲。柔性电极通常由微纳加工工艺制造，电极间距小，避免了高电压带来的影响。然而，在目前的消融过程中，柔性电极的位置精度均需要改进。

基于以上技术现状和改进方向，设计制备一种用于不可逆电穿孔消融的导管上微电极具备重要的科研和临床应用价值，对于不可逆电穿孔消融的临床应用具有非常重要的意义。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种分形结构微电极及其制备方法和导管。

根据本发明的一个方面，提供一种用于不可逆电穿孔消融的分形结构微电极，所述微电极为柔性电极，包括：

基底层，其上设有焊盘；

导电层，位于所述基底层上方，所述导电层包括电极点，所述电极点与所述焊盘电连接；所述电极点包括中心的阳极和位于所述阳极外周的阴极，所述阳极和所述阴极均为叉指结构，所述阳极和所述阴极的叉指结构交叉设置；

封装层，位于所述导电层上方，所述封装层暴露出所述电极点和所述焊盘；

电极修饰层，形成于所述电极点上，用于修饰所述电极点；

通过所述阳极和所述阴极向心脏组织施加电脉冲，引起心脏细胞发生不可逆电穿孔消融。

进一步地，所述叉指结构为一级至多级叉指结构，以增加电极点绝缘边缘长度与面积的比值，并减小阳极和阴极的间距。

进一步地，施加的电脉冲为单极脉冲方波、双极脉冲方波和指数衰减脉冲中的任意一种。

进一步地，施加的电脉冲的电压为10-1000V。

进一步地，所述基底层和所述封装层的厚度为0.1-100μm；所述基底层和所述封装层采用相同或不同的材料，所述基底层和所述封装层的材料为聚酰亚胺、聚对二甲苯、SU-8光刻胶和蚕丝蛋白中的任意一种。

进一步地，所述导电层的厚度为10-1000nm。

进一步地，所述电极修饰层覆盖所述电极点，所述电极修饰层的材料为铂黑、氧化铱、MXenes和聚乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸中的任意一种。

根据本发明的第二方面，提供一种导管，所述导管的头部设有上述的用于不可逆电穿孔消融的分形结构微电极，所述微电极的电极点位于所述导管的头部正中央。

进一步地，所述微电极通过紫外固化胶水贴附于所述导管的头部，所述导管通过微创介入手术进入心脏内部，所述微电极随所述导管的移动而移动。

根据本发明的第三方面，提供一种上述的用于不可逆电穿孔消融的分形结构微电极的制备方法，该方法包括：

在硅片上制作基底层，并在所述基底上形成焊盘；

在所述基底层上制作黏附层，再制作导电层，然后对所述导电层进行图形化，形成具有分形结构的电极点，所述导电层的电极点包括中心的阳极和位于所述阳极外周的阴极，所述阳极和所述阴极均为叉指结构，所述阳极和所述阴极的叉指结构交叉设置；

在所述导电层上制作封装层，得到电极器件；

旋涂光刻胶，经过光刻对光刻胶图形化，使用干法刻蚀方法刻蚀并暴露所述电极点、所述焊盘和电极器件整体轮廓；

从所述硅片上释放所述电极器件，并在所述电极点上制作电极修饰层，得到用于不可逆电穿孔消融的分形结构微电极。

与现有技术相比，本发明具有如下至少之一的有益效果：

1、本发明的微电极整体为柔性，该柔性的微电极可以集成于导管头部，能够进行高位置精度的消融，具有高度的灵活性。

2、本发明利用MEMS技术加工具有分形结构的微电极，能够在较低电压下用于心脏不可逆电穿孔消融，并具有电极和组织接触检测功能和心电信号记录功能，本发明能够提高心脏脉冲场消融的安全性和效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的微电极的***示意图；

图2为本发明一实施例的具有一级分形结构的微电极；

图3为本发明一实施例的具有二级分形结构的微电极；

图4为本发明一实施例的具有三级分形结构的微电极；

图5为本发明一实施例的具有四级分形结构的微电极；

图6为本发明一实施例中消融前微电极和心脏组织的接触时阻抗的变化情况；

图7为本发明一实施例中微电极记录心电信号的波形图；

图8为本发明一实施例中微电极和导管集成的示意图；

图9为本发明一实施例的微电极的制备方法的示意图。

图中：101为导管，102为微电极，201为基底层，202为导电层，203为封装层，204为电极修饰层，205为焊盘，A表示阳极，B表示阴极。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种用于不可逆电穿孔消融的分形结构微电极，该微电极为柔性电极，参照图1，该微电极包括基底层201、导电层202、封装层203和电极修饰层204，其中：基底层201上设有焊盘205，焊盘205位于微电极尾部，用于与引线连接；导电层202位于基底层201上方，导电层202包括位于导电层202端部的电极点，电极点与焊盘分别位于微电极的两端，电极点与焊盘205电连接；电极点的几何形状呈分形结构，本申请所述的分形结构类似于自然界的雪花形状、叶子叶脉的几何形状等；电极点包括中心的阳极和位于阳极外周的阴极，阳极和阴极均为叉指结构，阳极和阴极的叉指结构交叉设置；封装层203位于导电层202上方，封装层203暴露出电极点和焊盘205；电极修饰层204形成于电极点上，用于修饰电极点；通过阳极和阴极向心脏组织施加电脉冲，引起心脏细胞发生不可逆电穿孔消融。该柔性的微电极可以集成于导管头部，能够进行高位置精度的消融，具有高度的灵活性。

在一些实施方式中，叉指结构为一级至多级叉指结构，形成分形结构的电极点，如图2中的一级分形结构、图3中的二级分形结构、图4中的三级分形结构、图5中的四级分形结构等，图2-5中的A表示阳极，B表示阴极。一级分形结构的电极点，其中心的阳极A和外周的阴极B均具有叉指结构。图3中的二级分形结构是在图2中的一级分形结构的基础上，在原叉指结构上增加新的叉指结构。其他级数的分形结构以此类推。通过电极点的分形结构设计，能够增加分形结构的阳极(或者阴极)的几何图形的长度和面积的比值，即增加电极点绝缘边缘长度与面积的比值，从而更有助于电流从电极点传递至心脏组织；此外，分形结构的存在减小了阳极和阴极的间距，从而可以降低心肌细胞发生不可逆电穿孔所需施加的电压，能够在较低电压下用于心脏不可逆电穿孔消融。

在一些实施方式中，施加的电脉冲为单极脉冲方波、双极脉冲方波和指数衰减脉冲中的任意一种，一方面，这几种电脉冲持续时间很短，不会对细胞或组织造成大量的加热而升温；另一方面，短时间内将电脉冲作用于细胞膜的磷脂双分子层，导致跨膜电位形成从而产生不稳定的电势，使细胞膜形成不可逆的穿透性损伤(即不可逆电穿孔)，产生纳米级的孔隙，从而导致细胞膜渗透率的变化，破坏细胞内环境稳态，最终导致细胞凋亡，从而达到消融的效果。施加的电脉冲的电压为10-1000V，相比于现有技术中刚性电极高达数千伏的电脉冲，本发明实施例中的微电极在较低电压下就能够实现心脏不可逆电穿孔消融，低电压下能够减少产生电弧、肌肉颤动和水解等问题，从而提高心脏脉冲场消融的安全性。脉冲宽度为1μs-500ms，电脉冲持续时间很短，不会对细胞或组织造成大量的加热从而升温；为与心脏跳动的节律相匹配，脉冲频率为0.1-100Hz；脉冲个数为1-100个，使用多个脉冲能够增加消融的效果，保证细胞发生凋亡。例如，电脉冲为单极脉冲方波，电压为300V，脉冲宽度为100μs，脉冲频率为1Hz，脉冲个数为60个。

为实现良好绝缘效果，在一些实施方式中，考虑到厚度太薄可能起不到绝缘的效果，太厚又会降低器件的柔性，基底层201和封装层203的厚度为0.1-100μm。基底层201和封装层203可为同一种或两种不同的材料，材料为聚酰亚胺、聚对二甲苯、SU-8光刻胶和蚕丝蛋白等绝缘材料的任意一种。例如，基底层201和封装层203厚度为5μm，材料均为聚对二甲苯。由于基底层201和封装层203的厚度较小，且均采用柔性材料，有利于形成柔性电极。

为实现良好导电效果且便于微纳加工，在一些实施方式中，导电层202的厚度为10-1000nm。材料为金、铂、铜、石墨烯和液态合金等导电材料的任意一种。例如，微电极102的导电层202的厚度为300nm，材料为金。

在一些实施方式中，电极修饰层204覆盖电极点，电极修饰层204的材料为铂黑、氧化铱、MXenes和聚乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸中的任意一种，由电镀、热蒸发、溅射和旋涂等方式完成。例如，微电极102的电极修饰层204在电极点上覆盖，由电镀方式完成，材料为铂黑，能够降低电极点的界面阻抗，提高电极点的电荷存储能力，从而有助于电极点对电信号的记录和电刺激。

上述实施例中的微电极，在心脏消融手术中可完成多种功能：判断消融前导管上电极和心脏组织的接触、对心脏组织进行不可逆电穿孔消融、记录心电信号波形，单个器件具备多种功能，能够减少手术中使用多个不同功能的导管，利用单个导管就能够完成多种功能，从而能够提高手术效率，降低手术时间，进而能够提高心脏脉冲场消融的安全性和效率。参照图6，使用微电极判断消融前微电极和心脏组织的接触时，由于心脏组织和血液的电导率不同从而引起阻抗的变化，在电极和组织处于接触或分离状态时，通过电极测量出的交流阻抗值不同。参照图7，微电极可用于记录心电信号波形，在电极点上形成电极修饰层后，可以增加所记录信号的信噪比。

本发明另一实施例提供一种导管，参照图8，导管101的头部设有上述实施例中的用于不可逆电穿孔消融的分形结构微电极102，可随导管101的移动而发生移动；微电极102的电极点位于导管101的头部正中央，能够保证导管头部接触抵住的组织即为消融的位置，便于通过控制导管的端部来控制消融位置。由于微电极102整体为柔性，通过集成于导管101头部，依赖于对导管的灵活操控，能够进行高位置精度的消融，具有高度的灵活性。

在一些实施方式中，微电极102通过紫外固化胶水贴附于导管101的头部，实现微电极102集成在导管101头部，导管101通过微创介入手术经由生物体的静脉或动脉进入心脏内部，微电极102随导管101的移动而移动。

本发明另一实施例还提供一种上述的用于不可逆电穿孔消融的分形结构微电极的制备方法，参照图9，该方法包括：

S1、在硅片上制作基底层，并在基底上形成焊盘；

S2、在基底层上制作黏附层，再制作导电层，然后对导电层进行图形化，形成具有分形结构的电极点，导电层的电极点包括中心的阳极和位于阳极外周的阴极，阳极和阴极均为叉指结构，阳极和阴极的叉指结构交叉设置；

S3、在导电层上制作封装层，得到电极器件；

S4、旋涂光刻胶，经过光刻对光刻胶图形化，使用干法刻蚀方法刻蚀并暴露电极点、焊盘和电极器件整体轮廓；

S5、从硅片上释放电极器件，并在电极点上制作电极修饰层，得到用于不可逆电穿孔消融的分形结构微电极。

在一具体实施方式中，该微电极的制备方法包括：

S1、如图9中(a)所示，在4英寸硅片上，利用化学气相沉积法沉积得到5μm厚的聚对二甲苯(Parylene-C)，作为下部的基底层；

S2、如图9中(b)所示，在基底层上溅射一层20nm厚的铬作为黏附层，再溅射300nm厚的金；如图9中(c)所示，旋涂光刻胶，经过光刻对光刻胶图形化；如图9中(d)所示，使用湿法刻蚀对铬/金进行图形化，形成具有分形结构的电极点，然后使用丙酮洗去光刻胶；

S3、如图9中(e)所示，利用化学气相沉积法沉积得到5μm厚的聚对二甲苯(Parylene-C)，作为上部的封装层；

S4、如图9中(f)所示，旋涂光刻胶，经过光刻对光刻胶图形化；如图9中(g)所示，使用反应离子刻蚀方法刻蚀并暴露电极点部分、焊盘部分和电极器件整体轮廓，然后使用丙酮洗去光刻胶；

S5、从硅片上释放电极器件，使用电镀法在电极点上电镀铂黑。

本发明上述实施例中的用于不可逆电穿孔消融的分形结构微电极及其制备方法，利用MEMS技术加工，可在较低电压下用于心脏脉冲场消融，并具有电极和组织接触检测功能和心电信号记录功能，消融的位置精度也大大提高，本发明能够提高心脏不可逆电穿孔消融的安全性和效率。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。

Claims (10)

1.一种用于不可逆电穿孔消融的分形结构微电极，其特征在于，所述微电极为柔性电极，包括：

基底层，其上设有焊盘；

导电层，位于所述基底层上方，所述导电层包括电极点，所述电极点与所述焊盘电连接；所述电极点包括中心的阳极和位于所述阳极外周的阴极，所述阳极和所述阴极均为叉指结构，所述阳极和所述阴极的叉指结构交叉设置；

封装层，位于所述导电层上方，所述封装层暴露出所述电极点和所述焊盘；

电极修饰层，形成于所述电极点上，用于修饰所述电极点；

通过所述阳极和所述阴极向心脏组织施加电脉冲，引起心脏细胞发生不可逆电穿孔消融。

2.根据权利要求1所述的用于不可逆电穿孔消融的分形结构微电极，其特征在于，所述叉指结构为一级至多级叉指结构，以增加电极点绝缘边缘长度与面积的比值，并减小阳极和阴极的间距。

3.根据权利要求1所述的用于不可逆电穿孔消融的分形结构微电极，其特征在于，施加的电脉冲为单极脉冲方波、双极脉冲方波和指数衰减脉冲中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的用于不可逆电穿孔消融的分形结构微电极，其特征在于，施加的电脉冲的电压为10-1000V。

5.根据权利要求1所述的用于不可逆电穿孔消融的分形结构微电极，其特征在于，所述基底层和所述封装层的厚度为0.1-100μm；所述基底层和所述封装层采用相同或不同的材料，所述基底层和所述封装层的材料为聚酰亚胺、聚对二甲苯、SU-8光刻胶和蚕丝蛋白中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的用于不可逆电穿孔消融的分形结构微电极，其特征在于，所述导电层的厚度为10-1000nm。

7.根据权利要求1所述的用于不可逆电穿孔消融的分形结构微电极，其特征在于，所述电极修饰层覆盖所述电极点，所述电极修饰层的材料为铂黑、氧化铱、MXenes和聚乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸中的任意一种。

8.一种导管，其特征在于，所述导管的头部设有权利要求1-7中任一项所述的用于不可逆电穿孔消融的分形结构微电极，所述微电极的电极点位于所述导管的头部正中央。

9.根据权利要求8所述的导管，其特征在于，所述微电极通过紫外固化胶水贴附于所述导管的头部，所述导管通过微创介入手术进入心脏内部，所述微电极随所述导管的移动而移动。

10.一种权利要求1-7中任一项所述的用于不可逆电穿孔消融的分形结构微电极的制备方法，其特征在于，包括：

在硅片上制作基底层，并在所述基底上形成焊盘；

在所述基底层上制作黏附层，再制作导电层，然后对所述导电层进行图形化，形成具有分形结构的电极点，所述导电层的电极点包括中心的阳极和位于所述阳极外周的阴极，所述阳极和所述阴极均为叉指结构，所述阳极和所述阴极的叉指结构交叉设置；

在所述导电层上制作封装层，得到电极器件；

旋涂光刻胶，经过光刻对光刻胶图形化，使用干法刻蚀方法刻蚀并暴露所述电极点、所述焊盘和电极器件整体轮廓；

从所述硅片上释放所述电极器件，并在所述电极点上制作电极修饰层，得到用于不可逆电穿孔消融的分形结构微电极。

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