[發(fā)明專利]一種基于自膨脹水凝膠的三維柔性神經(jīng)微電極及制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010535628.7
• 申請日: 2020-06-12
• 公開（公告）號(hào): CN111657937B
• 公開（公告）日: 2023-06-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吉博文;馮慧成;常洪龍
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): A61B5/291
• 分類號(hào): A61B5/291;A61B5/266;C23C14/04;C23C14/10;C23C14/20;C23C14/34
• 代理公司: 西安凱多思知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 61290
• 代理人: 王鮮凱

本發(fā)明涉及一種基于自膨脹水凝膠的三維柔性神經(jīng)微電極及制備方法，利用溫度敏感水凝膠在一定溫度環(huán)境下的體積自膨脹效應(yīng)，設(shè)計(jì)一種具有三維凸起形貌的柔性神經(jīng)微電極，相比現(xiàn)有的平面柔性神經(jīng)微電極，本發(fā)明可進(jìn)一步保證電極位點(diǎn)與大腦皮層表面緊密接觸。主要結(jié)構(gòu)包括高模量彈性基底層，中模量溫敏水凝膠，低模量彈性基底層，聚合物襯底蛇形電極。本發(fā)明還提供了一種基于自膨脹水凝膠的三維柔性神經(jīng)微電極的制備方法，使中模量溫敏水凝膠被封裝在兩層不同模量的彈性基底層中間，轉(zhuǎn)印聚合物襯底蛇形電極，使電極點(diǎn)位于圖形化水凝膠正上方，以實(shí)現(xiàn)植入后溫敏水凝膠自膨脹，驅(qū)動(dòng)電極點(diǎn)發(fā)生面外變形，形成三維凸起結(jié)構(gòu)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)領(lǐng)域的電生理記錄電極，涉及一種基于自膨脹水凝膠的三維柔性神經(jīng)微電極及制備方法。

背景技術(shù)

基于柔性聚合物材料的神經(jīng)微電極，已被廣泛應(yīng)用于精確研究大腦皮層電生理活動(dòng)，采集包含豐富運(yùn)動(dòng)和感覺等信息的腦皮層電信號(hào)electrocorticogram，ECoG。近年來，隨著MEMS微納加工技術(shù)的發(fā)展，柔性ECoG微電極朝著高密度，高空間分辨率方向發(fā)展。但是，大多數(shù)現(xiàn)有微電極基于平面加工工藝制備，貼附在復(fù)雜曲面形貌腦組織表面時(shí)，存在電極點(diǎn)界面接觸不良的問題，影響神經(jīng)信號(hào)記錄質(zhì)量，亟需尋求解決方法。

經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，韓國DGIST和KIST研究所Moon?H,Chou?N等人在ACSapplied?materialsinterfaces,2019,11(39):36186-36195撰文“Transformation?of2DPlanes?into?3D?Soft?and?Flexible?Structures?with?Embedded?ElectricalFunctionality”，通過向PDMS腔體注入液體膨脹成為三維氣球形狀，推動(dòng)表面貼附的柔性Parylene襯底電極整體向上凸起變形并與腦組織接觸，用于采集ECoG腦電信號(hào)。但是該方法需要增加流體通道，導(dǎo)致器件體積增大，同時(shí)整體膨脹后電極點(diǎn)之間相對位置由于變形無法精準(zhǔn)確定。

韓國首爾國立大學(xué)Lee?W?R,Im?C等人在Polymers,2019,11(9):1436撰文“Fabrication?of?Convex?PDMS–Parylene?Microstructures?for?Conformal?Contact?ofPlanar?Micro-Electrode?Array”，提出柔性Parylene基底微電極點(diǎn)下方，增加高度為20微米的PDMS凸起微結(jié)構(gòu)，提高了微電極點(diǎn)與大腦曲面的共形接觸，微電極與神經(jīng)組織的機(jī)械匹配和ECoG神經(jīng)信號(hào)記錄能力。然而，微電極金屬層和Parylene基底圖形化所需的兩步光刻工藝精度，會(huì)隨著電極點(diǎn)下方PDMS凸起進(jìn)一步增高而降低，因?yàn)楣饪棠z旋涂均勻性和曝光精度與下方基底的平整程度有關(guān)。

清華大學(xué)尤政等人在“基于水凝膠溶脹特性的可控自變形神經(jīng)微電極”申請公布號(hào)CN?107158560?A發(fā)明專利中，采用Parylene電極基底和水凝膠雙層結(jié)構(gòu)，水凝膠層吸水膨脹引起Parylene微電極基底彎曲變形，使微電極能夠箍住或纏繞在神經(jīng)束上。該專利利用水凝膠吸水溶脹特性，需要保證水凝膠與體液環(huán)境接觸，以便觸發(fā)微電極自彎曲變形，主要應(yīng)用于螺旋人工耳蝸電極適應(yīng)耳蝸腔，神經(jīng)束纏繞及錨定，驅(qū)動(dòng)微針刺入神經(jīng)組織等。然而，該方法用大面積水凝膠與電極基底粘合，吸水后整體發(fā)生彎曲變形，不適用于貼附相對平整的大腦皮層，另外，水凝膠始終與體液接觸，吸濕膨脹后與由于自身變形，可能與Parylene微電極基底存在分層風(fēng)險(xiǎn)。

深圳先進(jìn)技術(shù)研究院杜學(xué)敏等人在“一種可控雙向三維形變水凝膠薄膜及其制備方法和柔性微電極陣列”申請公布號(hào)：CN?109294002?A發(fā)明專利中，提出一種可控雙向三維形變水凝膠薄膜作為刺激響應(yīng)層與基于柔性基底的電極結(jié)構(gòu)通過表面化學(xué)鍵合或物理黏粘的方式貼合在一起，所述刺激響應(yīng)層帶動(dòng)微電極陣列形成正向空心管狀、螺旋形、圓柱體等結(jié)構(gòu)形狀，同樣無法適用于相對平整的大腦皮層表面進(jìn)行神經(jīng)信號(hào)采集，同時(shí)，該專利中水凝膠主要通過一價(jià)陽離子濃度、pH值大小或螯合試劑濃度實(shí)現(xiàn)水凝膠薄膜形變程度的可控調(diào)節(jié)，而腦脊液環(huán)境難以提供水凝膠變形的刺激條件。