[發明專利]用于神經記錄和光刺激的柔性腦皮層電極及其制備方法

有效

• 申請號: 202011140273.8
• 申請日: 2020-10-22
• 公開（公告）號: CN112259570B
• 公開（公告）日: 2022-08-23
• 發明（設計）人: 王明浩;郭幫幫;程瑜華;樊曄;楊文偉;陳穎;王高峰
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學溫州研究院有限公司;杭州電子科技大學
• 主分類號: H01L27/15
• 分類號: H01L27/15;H01L27/146;A61B5/00
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 黃前澤

本發明公開了一種用于神經記錄和光刺激的柔性腦皮層電極及其制備方法。現有的柔性腦皮層電極存在光刺激和電記錄分辨率低以及無法植入皮層內部的問題。本發明包括柔性光探針陣列層、柔性粘合層和柔性微LED陣列層。柔性光探針陣列層上設置有多個記錄刺激單元。記錄刺激單元包括由內至外同軸設置的光波導探針、記錄電極層和保護層。柔性微LED陣列層上設置有多個微LED單元；各個微LED單元與各個記錄刺激單元分別對齊。柔性光探針陣列使得記錄電極點和光刺激點能夠刺入皮層內部實現高分辨率刺激和記錄。柔性微LED陣列層為腦皮層電極提供高分辨率的刺激光源。柔性黏附層具有優秀的柔性和透光性，提供了良好的保形和光耦合特性。

技術領域

本發明屬于腦機接口技術領域，具體涉及一種用于神經記錄和光刺激的柔性腦皮層(ECoG)電極的微加工制備方法，該電極是通過將柔性光探針陣列與微LED(發光二極管)陣列進行光電集成來實現制備的。

背景技術

光遺傳學已經證明了光刺激控制大腦中特定類型的基因改造神經元的能力。基于光遺傳學的光神經刺激被認為比電神經刺激更有益，因為它允許以亞毫秒級的時間精度激活或抑制特定類型的神經元，消除電偽影，并且由于光源的密封可能延長壽命。當前基于光遺傳學技術的神經接口包括LD(激光二極管)或LED耦合光纖、微LED陣列以及聚焦激光束顯微鏡。然而，對于自由行為的實驗對象，光傳遞的方法只有幾種，如LD耦合光纖和頭部安裝的單個LED系統。現有系統的空間分辨率較差，且系留的光纖限制了被測物體的自然行為。

為了解決這些局限性，上海交通大學的Bowen Ji等人在論文“FlexibleOptoelectric Neural Interface Integrated Wire-Bonding mu LEDs andMicroelectrocorticography for Optogenetics”中開發了一種結合微記錄電極陣列和微LED陣列的光電神經接口。三顆微LED芯片通過獨特的金絲球焊連接到柔性聚酰亞胺基板上，使得藍光直接通過基板上對齊的孔實現無損耗光刺激。最后，通過將兩個不同厚度的裝置附著在表達通道視紫紅質的小鼠皮層表面的急性體內實驗證明了這種雙向神經界面的有效性。然而，這種柔性腦皮層電極由于缺少突出的探針結構而無法刺入皮層內部實現高分辨率的刺激和記錄。美國密西根州立大學的Wen Li課題組在論文“Awireless slantedoptrode array with integrated micro leds for optogenetics”中開發了一個多通道三維波導陣列，通過集成微LED芯片與微針波導來減少組織光散射并實現高空間分辨率。光學刺激的空間分辨率的進一步提高是通過使用可變長度的波導來實現的，這種波導可以精確地將光傳送到目標皮層。該論文研究了這些波導陣列的光學、電學和力學特性，證明了器件的光神經調制能力。然而，該論文中金屬導線的圖形化精度較差，無法實現高密度集成。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術中的缺陷，使用PI(聚酰亞胺)作為記錄電極襯底，并結合LED耦合SU-8光波導結構來實現神經記錄和刺激；通過PI與SU-8的結合，一方面可以使得記錄電極擁有良好的柔性，從而減輕機械失配引起的腦組織損傷，另一方面也可以確保光波導具有合適的剛性，從而刺穿腦皮層的同時實現不同深度皮層的記錄和刺激。

一種用于神經記錄和光刺激的柔性腦皮層電極，包括柔性光探針陣列層、柔性粘合層和柔性微LED陣列層。柔性粘合層采用透光材料；柔性光探針陣列層上設置有多個記錄刺激單元。記錄刺激單元包括由內至外同軸設置的光波導探針、記錄電極層和保護層。光波導探針和記錄電極層的尖端暴露在外，形成光刺激點和記錄電極點。柔性微LED陣列層上設置有多個微LED單元；柔性光探針陣列層與柔性微LED陣列層通過柔性粘合層連接。各個微LED單元與各個記錄刺激單元分別對齊，使得微LED單元發出的光能夠傳遞到對應的光波導探針的尖端。