[發(fā)明專利]柔性植入式神經(jīng)光電極的光學(xué)器件及其設(shè)計(jì)、制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010795618.7
• 申請(qǐng)日: 2020-08-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111939482B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-02-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陶虎;顧馳;周志濤;魏曉玲
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所
• 主分類號(hào): H01J40/06
• 分類號(hào): H01J40/06
• 代理公司: 廣州三環(huán)專利商標(biāo)代理有限公司 44202
• 代理人: 郝傳鑫;賈允

本發(fā)明公開(kāi)了柔性植入式神經(jīng)光電極的光學(xué)器件，其設(shè)置于柔性聚合物襯底上，包括：輸入光柵、波導(dǎo)和輸出光柵，輸入光柵為平行光柵，用于耦合入射光，波導(dǎo)的輸入端與輸入光柵耦合連接，波導(dǎo)的輸出端與輸出光柵耦合連接，輸出光柵為聚焦光柵，用于將光耦合、聚焦照射在記錄電極上方，提供單細(xì)胞分辨率的光刺激。本發(fā)明還公開(kāi)了上述光學(xué)器件的設(shè)計(jì)和制備方法。本發(fā)明提供的柔性植入式神經(jīng)光電極的光學(xué)器件，通過(guò)對(duì)波導(dǎo)和光柵的設(shè)計(jì)刻提供單細(xì)胞分辨率的光刺激和原位記錄；器件尺寸小能減少植入損傷，且低損耗、高耦合、強(qiáng)聚焦；其高集成度利于實(shí)現(xiàn)多通道、高密度的神經(jīng)刺激和記錄；采用柔性聚合物襯底能減少神經(jīng)瘢痕的形成，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期在體穩(wěn)定工作。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及柔性植入式神經(jīng)光電極的光學(xué)器件及其設(shè)計(jì)、制備方法。

背景技術(shù)

光電極是光遺傳工具應(yīng)用的重要組成部分，其功能是把光導(dǎo)入腦內(nèi)調(diào)控神經(jīng)元活動(dòng)，同時(shí)記錄神經(jīng)元電信號(hào)在光調(diào)控下變化情況的一種植入式神經(jīng)接口器件。隨著光遺傳技術(shù)神經(jīng)科學(xué)研究中應(yīng)用的深入，以及其在疾病治療方面的探索，與光遺傳技術(shù)相配合的光電極從材料選擇、器件結(jié)構(gòu)、給光方式和集成工藝等方面都呈現(xiàn)出百花齊放的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

其中，植入式神經(jīng)光電極的給光方式主要有兩種，一是通過(guò)在記錄電極裝置附近設(shè)置發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)或激光二極管(Laser Diode，LD)作為光源提供光刺激，另一種是通過(guò)光波導(dǎo)將光纖中的光傳導(dǎo)至記錄電極附近并射出來(lái)提供光刺激。一方面，LED或LD工作容易發(fā)熱造成神經(jīng)損傷，需要額外考慮產(chǎn)熱評(píng)估和控制，此外制備時(shí)還需要考慮器件的防水性，其生物相容性和器件可靠性不如波導(dǎo)；另一方面，波導(dǎo)具有更小的尺寸，在植入過(guò)程中減少損傷，同時(shí)還能提高器件的集成度，提高記錄通道數(shù)和密度，此外在波導(dǎo)前端使用光柵進(jìn)行光的耦合輸出，通過(guò)對(duì)光柵的設(shè)計(jì)可以方便地控制輸出光的輪廓。

在植入式神經(jīng)光電極的波導(dǎo)的材料選擇上，也主要有兩種，一種是基于SU-8等聚合物材料實(shí)現(xiàn)的光波導(dǎo)，但其波導(dǎo)剖面的長(zhǎng)寬尺寸一般達(dá)到10-20μm，導(dǎo)致植入體尺寸較大，增大植入損傷，器件集成度低也不利于實(shí)現(xiàn)高密度、多通道的神經(jīng)細(xì)胞刺激和信號(hào)記錄；另一種基于氮化硅材料實(shí)現(xiàn)的光波導(dǎo)，其襯底采用硬質(zhì)材料如硅襯底，器件植入后硬質(zhì)襯底與腦組織的楊氏模量不匹配，這導(dǎo)致器件在體過(guò)程中植入體與腦組織的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致很大的剪切力等應(yīng)力，在植入體周圍形成大量神經(jīng)瘢痕，難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期在體穩(wěn)定工作。

基于微機(jī)電系統(tǒng)(MicroElectro-Mechanical System，MEMS)工藝制備的光波導(dǎo)展示出了集成器件的優(yōu)點(diǎn)：幾十微米的波導(dǎo)尺寸大大減小了光電極植入造成的截面損傷，同時(shí)MEMS工藝的靈活性使其更易于與電極器件集成，能做出包含多個(gè)光電通道、多色、多位點(diǎn)的光電極器件。它用光刻定義出電學(xué)和光學(xué)器件的尺寸，可以實(shí)現(xiàn)刺激位點(diǎn)和記錄電極之間相對(duì)位置精準(zhǔn)的控制。

因此，對(duì)比上述給光方式、材料選擇和加工工藝上的優(yōu)劣，有必要設(shè)計(jì)一種新的包含波導(dǎo)和光柵的光學(xué)器件結(jié)構(gòu)，并用于柔性植入式神經(jīng)光電極中，從而使其尺寸更小、集成度更高、給光更精準(zhǔn)高效。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是降低植入式神經(jīng)光電極中光學(xué)器件的尺寸，提高其集成度，并能提供精準(zhǔn)高效的光刺激。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了柔性植入式神經(jīng)光電極的光學(xué)器件及其設(shè)計(jì)、制備方法。具體技術(shù)方案如下所述：

第一方面，本發(fā)明公開(kāi)了一種柔性植入式神經(jīng)光電極的光學(xué)器件，所述光學(xué)器件設(shè)置于柔性植入式神經(jīng)光電極的柔性聚合物襯底上，所述光學(xué)器件包括：

輸入光柵、波導(dǎo)和輸出光柵，

所述輸入光柵為平行光柵結(jié)構(gòu)，用于耦合預(yù)設(shè)波長(zhǎng)和入射角度的入射光，

所述波導(dǎo)的輸入端與所述輸入光柵耦合連接，所述波導(dǎo)的輸出端與所述輸出光柵耦合連接，