一种可拉伸柔性三维螺旋电极的制备方法
本发明属于柔性生物传感器，具体涉及一种用于神经信号记录和神经刺激的可拉伸柔性三维螺旋电极及其制备方法，该三维螺旋电极是通过将柔性平面电极缠绕在微管基体上，经高温退火定型实现制备。通过缠绕可以降低电极的宽度，电极点绕螺旋结构三维分布大大提高空间分辨率，可拉伸的螺旋结构提供纵向自由度，最大限度减少微电极相对于周围神经组织的运动。
背景技术：
：：1、微电极作为大脑连接外部设备的接口，能够记录电生理信号或调控大脑活动。随着微细加工技术的发展，开发出了各种高密度、微小尺寸的微电极，一些临床应用如通过脑深部刺激缓解帕金森氏症症状、通过功能性电刺激恢复瘫痪肢体的运动功能等，已在微电极的辅助下成功实现。但从大量密排神经元中长期刺激和记录单个神经元活动仍然是一个挑战，这一目标的实现要求微电极具有高密度且高空间分辨率的电极位点。此外，大脑和植入微电极之间的微动是微电极失效的主要原因。电极尖端的移动导致记录不稳定，而持续的机械创伤引起的神经胶质细胞活化，在植入后的几周/几个月内导致信号振幅下降。因此，电极的设计需要纳入的减少微动的措施，降低胶质增生，从而延长电极的寿命。2、在微电极的设计中加入可拉伸螺旋结构，可以显著增强微电极对脑组织微动的适应性，减少微电极和脑组织之间的相对位移。但平面分布的电极位点只能记录/刺激与电极位点接触的一侧的神经元细胞，空间分辨率较低。(sohal,h.s.,etal.,thesinusoidalprobe:anew approachtoimproveelectrodelongevity.frontneuroeng,2014.7:p.10.)。已经提出一些三维圆柱形管状神经电极(管电极)，这些管状电极是通过非平面光刻技术直接在圆柱形微管基体上绘制图形或使用胶水/聚合物将平面电极粘合到微管结构上制备而成的，其电极位点沿圆周三维分布在圆柱形微管表面，因此具有较高的空间选择性。相比于刚性电极，这些柔性管电极可以弯曲或缩短，在一定程度上减少植入式电极与脑组织之间的机械失配带来的影响，但直电极无论多么柔性，都不能延长以适应大脑变形。(tamaki,s.,etal.developmentand evaluationoftube-shapedneuralprobewithworkingchannel.in2013transducers&eurosensors xxvii:the17thinternationalconferenceonsolid-statesensors,actuatorsandmicrosystems(transducers&eurosensorsxxvii).2013.；tian,h.c.,etal.,enhancedflexible tubularmicroelectrodewithconductingpolymerformulti-functionalimplantabletissue-machineinterface.scirep,2016.6:p.26910.)。为了克服现有柔性微电极的这些缺点，本发明设计了一种可拉伸柔性三维螺旋电极。该技术不仅能实现三维高空间分辨率记录，还能通过可拉伸螺旋结构延长或缩短以适应脑组织微运动。技术实现思路1、本发明的目的在于针对现有技术中的缺陷，通过将柔性平面电极缠绕在微管基体上，经高温退火定型，制备一种可拉伸柔性三维螺旋电极，通过缠绕可以将平面电极的宽度大幅降低，三维分布的电极点能够实现高空间分辨率记录和神经调控功能，同时可拉伸螺旋结构大大提高微电极与脑组织的适应性，从而延长电极的使用寿命。2、第一方面，本发明提供一种可拉伸柔性三维螺旋电极的制备方法，其包括以下步骤：3、步骤一、使用表面微加工工艺制备柔性平面电极；所得柔性平面电极包括绝缘层，以及包裹在绝缘层中的金属层；柔性平面电极沿自身长度方向分为条形电极主体和接线区；绝缘层的材质为聚酰亚胺；金属层包括设置在条形电极主体上的记录刺激位点，设置在接线区上的电极焊盘，以及连接记录刺激位点与电极焊盘的信号线；4、步骤二、使用高温退火工艺，使得条形电极主体形成三维螺旋状电极结构；5、步骤2-1.将一根微丝穿过相互独立的两根基体微管；将步骤一所得两个尖端相连的柔性平面电极的接线区固定在直径为100-200μm的基体微管上，并利用微管旋转带动柔性平面电极螺旋缠绕在微丝上；微丝的直径为50μm～200μm。微丝直径小于基体微管的内径。6、步骤2-2.对缠绕在微丝上的条形电极主体进行200-300℃的热处理1min～30min，使得聚酰亚胺材质的绝缘层定型成三维螺旋状；7、步骤2-3.将缠绕在微丝上的两个三维螺旋电极取下，并将两个三维螺旋电极的连接点截断；8、步骤三、将接线区上的电极焊盘与软排线连接。9、作为优选，步骤一中制备的柔性平面电极上的多个记录刺激位点均设置在条形电极主体的同一侧面上；步骤2-1中，条形电极主体螺旋缠绕在微丝上时，使用条形电极主体上不设记录刺激位点的侧面与微丝接触。10、作为优选，步骤2-1中，条形电极主体螺旋缠绕在微丝上的具体过程为：11、(1)将穿过两段基体微管微丝绷直并固定两端；将两个尖端连接在一起的柔性平面电极上条形电极主体的不设记录刺激位点的侧面与微丝接触；将该两个柔性平面电极的接线区分别固定在两根基体微管上；12、(2)将其中一根基体微管固定，并旋转另一根基体微管，使得两个条形电极主体分别螺旋缠绕在中间的微丝上。13、作为优选，所述的绝缘层包括上绝缘层和下绝缘层；金属层设置在上绝缘层与下绝缘层之间。14、作为优选，步骤一的具体过程如下：15、(1)使用高真空热蒸发镀膜机在衬底上沉积一层parylene-c，再磁控溅射沉积一层金属作为牺牲层；16、(2)在牺牲层上旋涂一层聚酰亚胺作为下绝缘层；17、(3)在下绝缘层上沉积一层cr/au金属作为金属层；18、(4)在金属层上旋涂正性光刻胶，并使用平面光刻技术图案化光刻胶；19、(5)使用离子束刻蚀图案化金属层层内的au层和cr层，形成相互独立的多组记录刺激位点、信号线和电极焊盘；20、(6)在图案化后的金属层上旋涂一层聚酰亚胺作为上绝缘层；21、(7)在上绝缘层上磁控溅射一层cu作为硬掩膜；22、(8)在硬掩膜上旋涂正性光刻胶，并使用平面光刻技术图案化光刻胶；23、(9)使用离子束蚀刻图案化硬掩膜；24、(10)通过反应离子蚀刻的方式对上绝缘层进行刻蚀；使用湿法刻蚀将硬掩膜去除，形成暴露出记录刺激位点和电极焊盘的窗口；25、(11)激光切割出电极的轮廓，并释放电极。26、作为优选，步骤一的具体过程如下：27、(1)使用磁控溅射系统在衬底上沉积一层金属al作为牺牲层；28、(2)在牺牲层上旋涂一层聚酰亚胺作为微电极的下绝缘层；29、(3)在下绝缘层上沉积一层cr/au金属作为金属层；30、(4)在金属层上旋涂正性光刻胶，并使用平面光刻技术图案化光刻胶；31、(5)使用离子束刻蚀图案化金属层层内的au层和cr层，形成相互独立的多组记录刺激位点、信号线和电极焊盘；32、(6)在图案化后的金属层上旋涂一层聚酰亚胺作为上绝缘层；33、(7)在上绝缘层上沉积一层cr作为反应离子刻蚀的硬掩膜；34、(8)在硬掩膜上涂覆正性光刻胶，并使用平面光刻技术将光刻胶图形化；35、(9)使用离子束蚀刻ibe将硬掩膜图形化；36、(10)通过反应离子刻蚀刻蚀上绝缘层；使用湿法刻蚀将硬掩膜去除，形成暴露出记录刺激位点和电极焊盘的窗口；37、(11)激光切割出各个电极的轮廓，并释放电极，得到柔性平面电极。38、作为优选，步骤三的具体过程如下：39、(1)在记录电极焊盘表面贴附一层acf导电胶并进行预压；40、(2)将软排线贴附在acf导电胶上并进行本压。41、第二方面，本发明提供一种可拉伸柔性三维螺旋电极，其通过前述的制备方法制得；该可拉伸柔性三维螺旋电极沿自身长度方向分为接线区，和能够外力作用下进行伸缩的螺旋电极结构。42、作为优选，所述的记录刺激位点设置在螺旋电极结构的外侧面上。43、作为优选，多个记录刺激位点分为一组或多组；同一组的记录刺激位点沿着螺旋电极结构的外侧面的螺旋线方向依次排列。44、本发明具有的有益效果是：45、1、本发明通过将柔性平面电极缠绕在微管基体上，经高温退火定型制备一种具有可拉伸螺旋结构的电极，用于神经信号记录和神经刺激。一方面通过缠绕可以将柔性平面电极的宽度大幅降低，在不增加体内植入的创口宽度的前提下提高电极位点的数量；另一方面，高温退火定型后的可拉伸螺旋结构，可以随脑组织的微运动延长或缩短，减少电极和组织的摩擦及其引起的组织损伤，同时避免电极和记录区域之间的位移，显示出长期记录/刺激的前景。46、2、本发制备的可拉伸柔性三维螺旋电极，其电极位点沿圆周三维分布在螺旋状结构表面，与平面电极只能记录/刺激单侧的神经元细胞不同，三维分布的电极位点能够与周围任何方向接触到电极的神经元细胞相互作用，显著提高植入电极的空间分辨率。当前第1页12当前第1页12
技术特征：
技术总结
本发明公开了一种可拉伸柔性三维螺旋电极的制备方法。现有的大部分DBS电极的记录位点在同一平面内，使得其空间分辨率较低；已经出现的一些三维管电极无法适应大脑微运动，导致电极和组织产生额外的位移。本发明提供了一种可拉伸柔性三维螺旋电极的制备方法，基于微纳工艺制造柔性平面微电极，将制备的柔性微电极缠绕在微管基体上，高温退火定型，使电极植入部分形成螺旋状结构。通过缠绕可以降低平面电极的宽度，减小植入损伤。电极位点沿圆周三维分布在螺旋状结构表面，显著提高电极的空间分辨率。可拉伸螺旋结构可以延长和缩短来适应大脑变形，减少电极和组织的摩擦，同时避免电极和记录区域之间的位移，显示出长期应用的前景。
技术研发人员：王明浩,商思妍,倪淳弍,江昊,程瑜华,王高峰
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23
背景技术：
：：1、微电极作为大脑连接外部设备的接口，能够记录电生理信号或调控大脑活动。随着微细加工技术的发展，开发出了各种高密度、微小尺寸的微电极，一些临床应用如通过脑深部刺激缓解帕金森氏症症状、通过功能性电刺激恢复瘫痪肢体的运动功能等，已在微电极的辅助下成功实现。但从大量密排神经元中长期刺激和记录单个神经元活动仍然是一个挑战，这一目标的实现要求微电极具有高密度且高空间分辨率的电极位点。此外，大脑和植入微电极之间的微动是微电极失效的主要原因。电极尖端的移动导致记录不稳定，而持续的机械创伤引起的神经胶质细胞活化，在植入后的几周/几个月内导致信号振幅下降。因此，电极的设计需要纳入的减少微动的措施，降低胶质增生，从而延长电极的寿命。2、在微电极的设计中加入可拉伸螺旋结构，可以显著增强微电极对脑组织微动的适应性，减少微电极和脑组织之间的相对位移。但平面分布的电极位点只能记录/刺激与电极位点接触的一侧的神经元细胞，空间分辨率较低。(sohal,h.s.,etal.,thesinusoidalprobe:anew approachtoimproveelectrodelongevity.frontneuroeng,2014.7:p.10.)。已经提出一些三维圆柱形管状神经电极(管电极)，这些管状电极是通过非平面光刻技术直接在圆柱形微管基体上绘制图形或使用胶水/聚合物将平面电极粘合到微管结构上制备而成的，其电极位点沿圆周三维分布在圆柱形微管表面，因此具有较高的空间选择性。相比于刚性电极，这些柔性管电极可以弯曲或缩短，在一定程度上减少植入式电极与脑组织之间的机械失配带来的影响，但直电极无论多么柔性，都不能延长以适应大脑变形。(tamaki,s.,etal.developmentand evaluationoftube-shapedneuralprobewithworkingchannel.in2013transducers&eurosensors xxvii:the17thinternationalconferenceonsolid-statesensors,actuatorsandmicrosystems(transducers&eurosensorsxxvii).2013.；tian,h.c.,etal.,enhancedflexible tubularmicroelectrodewithconductingpolymerformulti-functionalimplantabletissue-machineinterface.scirep,2016.6:p.26910.)。为了克服现有柔性微电极的这些缺点，本发明设计了一种可拉伸柔性三维螺旋电极。该技术不仅能实现三维高空间分辨率记录，还能通过可拉伸螺旋结构延长或缩短以适应脑组织微运动。技术实现思路1、本发明的目的在于针对现有技术中的缺陷，通过将柔性平面电极缠绕在微管基体上，经高温退火定型，制备一种可拉伸柔性三维螺旋电极，通过缠绕可以将平面电极的宽度大幅降低，三维分布的电极点能够实现高空间分辨率记录和神经调控功能，同时可拉伸螺旋结构大大提高微电极与脑组织的适应性，从而延长电极的使用寿命。2、第一方面，本发明提供一种可拉伸柔性三维螺旋电极的制备方法，其包括以下步骤：3、步骤一、使用表面微加工工艺制备柔性平面电极；所得柔性平面电极包括绝缘层，以及包裹在绝缘层中的金属层；柔性平面电极沿自身长度方向分为条形电极主体和接线区；绝缘层的材质为聚酰亚胺；金属层包括设置在条形电极主体上的记录刺激位点，设置在接线区上的电极焊盘，以及连接记录刺激位点与电极焊盘的信号线；4、步骤二、使用高温退火工艺，使得条形电极主体形成三维螺旋状电极结构；5、步骤2-1.将一根微丝穿过相互独立的两根基体微管；将步骤一所得两个尖端相连的柔性平面电极的接线区固定在直径为100-200μm的基体微管上，并利用微管旋转带动柔性平面电极螺旋缠绕在微丝上；微丝的直径为50μm～200μm。微丝直径小于基体微管的内径。6、步骤2-2.对缠绕在微丝上的条形电极主体进行200-300℃的热处理1min～30min，使得聚酰亚胺材质的绝缘层定型成三维螺旋状；7、步骤2-3.将缠绕在微丝上的两个三维螺旋电极取下，并将两个三维螺旋电极的连接点截断；8、步骤三、将接线区上的电极焊盘与软排线连接。9、作为优选，步骤一中制备的柔性平面电极上的多个记录刺激位点均设置在条形电极主体的同一侧面上；步骤2-1中，条形电极主体螺旋缠绕在微丝上时，使用条形电极主体上不设记录刺激位点的侧面与微丝接触。10、作为优选，步骤2-1中，条形电极主体螺旋缠绕在微丝上的具体过程为：11、(1)将穿过两段基体微管微丝绷直并固定两端；将两个尖端连接在一起的柔性平面电极上条形电极主体的不设记录刺激位点的侧面与微丝接触；将该两个柔性平面电极的接线区分别固定在两根基体微管上；12、(2)将其中一根基体微管固定，并旋转另一根基体微管，使得两个条形电极主体分别螺旋缠绕在中间的微丝上。13、作为优选，所述的绝缘层包括上绝缘层和下绝缘层；金属层设置在上绝缘层与下绝缘层之间。14、作为优选，步骤一的具体过程如下：15、(1)使用高真空热蒸发镀膜机在衬底上沉积一层parylene-c，再磁控溅射沉积一层金属作为牺牲层；16、(2)在牺牲层上旋涂一层聚酰亚胺作为下绝缘层；17、(3)在下绝缘层上沉积一层cr/au金属作为金属层；18、(4)在金属层上旋涂正性光刻胶，并使用平面光刻技术图案化光刻胶；19、(5)使用离子束刻蚀图案化金属层层内的au层和cr层，形成相互独立的多组记录刺激位点、信号线和电极焊盘；20、(6)在图案化后的金属层上旋涂一层聚酰亚胺作为上绝缘层；21、(7)在上绝缘层上磁控溅射一层cu作为硬掩膜；22、(8)在硬掩膜上旋涂正性光刻胶，并使用平面光刻技术图案化光刻胶；23、(9)使用离子束蚀刻图案化硬掩膜；24、(10)通过反应离子蚀刻的方式对上绝缘层进行刻蚀；使用湿法刻蚀将硬掩膜去除，形成暴露出记录刺激位点和电极焊盘的窗口；25、(11)激光切割出电极的轮廓，并释放电极。26、作为优选，步骤一的具体过程如下：27、(1)使用磁控溅射系统在衬底上沉积一层金属al作为牺牲层；28、(2)在牺牲层上旋涂一层聚酰亚胺作为微电极的下绝缘层；29、(3)在下绝缘层上沉积一层cr/au金属作为金属层；30、(4)在金属层上旋涂正性光刻胶，并使用平面光刻技术图案化光刻胶；31、(5)使用离子束刻蚀图案化金属层层内的au层和cr层，形成相互独立的多组记录刺激位点、信号线和电极焊盘；32、(6)在图案化后的金属层上旋涂一层聚酰亚胺作为上绝缘层；33、(7)在上绝缘层上沉积一层cr作为反应离子刻蚀的硬掩膜；34、(8)在硬掩膜上涂覆正性光刻胶，并使用平面光刻技术将光刻胶图形化；35、(9)使用离子束蚀刻ibe将硬掩膜图形化；36、(10)通过反应离子刻蚀刻蚀上绝缘层；使用湿法刻蚀将硬掩膜去除，形成暴露出记录刺激位点和电极焊盘的窗口；37、(11)激光切割出各个电极的轮廓，并释放电极，得到柔性平面电极。38、作为优选，步骤三的具体过程如下：39、(1)在记录电极焊盘表面贴附一层acf导电胶并进行预压；40、(2)将软排线贴附在acf导电胶上并进行本压。41、第二方面，本发明提供一种可拉伸柔性三维螺旋电极，其通过前述的制备方法制得；该可拉伸柔性三维螺旋电极沿自身长度方向分为接线区，和能够外力作用下进行伸缩的螺旋电极结构。42、作为优选，所述的记录刺激位点设置在螺旋电极结构的外侧面上。43、作为优选，多个记录刺激位点分为一组或多组；同一组的记录刺激位点沿着螺旋电极结构的外侧面的螺旋线方向依次排列。44、本发明具有的有益效果是：45、1、本发明通过将柔性平面电极缠绕在微管基体上，经高温退火定型制备一种具有可拉伸螺旋结构的电极，用于神经信号记录和神经刺激。一方面通过缠绕可以将柔性平面电极的宽度大幅降低，在不增加体内植入的创口宽度的前提下提高电极位点的数量；另一方面，高温退火定型后的可拉伸螺旋结构，可以随脑组织的微运动延长或缩短，减少电极和组织的摩擦及其引起的组织损伤，同时避免电极和记录区域之间的位移，显示出长期记录/刺激的前景。46、2、本发制备的可拉伸柔性三维螺旋电极，其电极位点沿圆周三维分布在螺旋状结构表面，与平面电极只能记录/刺激单侧的神经元细胞不同，三维分布的电极位点能够与周围任何方向接触到电极的神经元细胞相互作用，显著提高植入电极的空间分辨率。当前第1页12当前第1页12
技术特征：
1.一种可拉伸柔性三维螺旋电极的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤一中制备的柔性平面电极上的多个记录刺激位点(1)均设置在条形电极主体的同一侧面上；步骤2-1中，条形电极主体螺旋缠绕在微丝上时，使用条形电极主体上不设记录刺激位点(1)的侧面与微丝接触。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2-1中，条形电极主体螺旋缠绕在微丝上的具体过程为：
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的绝缘层包括上绝缘层(2-1)和下绝缘层(2-3)；金属层设置在上绝缘层(2-1)与下绝缘层(2-3)之间。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤一的具体过程如下：
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤一的具体过程如下：
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤三的具体过程如下：
8.一种可拉伸柔性三维螺旋电极，其特征在于：通过权利要求1所述的制备方法制得；该可拉伸柔性三维螺旋电极沿自身长度方向分为接线区，和能够外力作用下进行伸缩的螺旋电极结构(4)。
9.根据权利要求8所述的一种可拉伸柔性三维螺旋电极，其特征在于：所述的记录刺激位点(1)设置在螺旋电极结构(4)的外侧面上。
10.根据权利要求8所述的一种可拉伸柔性三维螺旋电极，其特征在于：多个记录刺激位点(1)分为一组或多组；同一组的记录刺激位点(1)沿着螺旋电极结构(4)的外侧面的螺旋线方向依次排列。
技术总结
本发明公开了一种可拉伸柔性三维螺旋电极的制备方法。现有的大部分DBS电极的记录位点在同一平面内，使得其空间分辨率较低；已经出现的一些三维管电极无法适应大脑微运动，导致电极和组织产生额外的位移。本发明提供了一种可拉伸柔性三维螺旋电极的制备方法，基于微纳工艺制造柔性平面微电极，将制备的柔性微电极缠绕在微管基体上，高温退火定型，使电极植入部分形成螺旋状结构。通过缠绕可以降低平面电极的宽度，减小植入损伤。电极位点沿圆周三维分布在螺旋状结构表面，显著提高电极的空间分辨率。可拉伸螺旋结构可以延长和缩短来适应大脑变形，减少电极和组织的摩擦，同时避免电极和记录区域之间的位移，显示出长期应用的前景。
技术研发人员：王明浩,商思妍,倪淳弍,江昊,程瑜华,王高峰
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23
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