[發(fā)明專利]一種基于水凝膠的柔性生物電極陣列及其制作方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110249070.0
• 申請(qǐng)日: 2021-03-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113057637B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-06-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 潘泰松;孫曉桐;顏?zhàn)砍?/a>;高能;姚光;高敏;林媛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): A61B5/268
• 分類號(hào): A61B5/268;A61B5/273;A61B5/293;C08F220/56;C08F222/38
• 代理公司: 電子科技大學(xué)專利中心 51203
• 代理人: 吳姍霖

本發(fā)明提供一種基于水凝膠的柔性生物電極陣列及其制作方法，屬于腦皮層電圖電極技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的生物電極陣列選取可延展柔性基底，具有生物粘附性的水凝膠，并結(jié)合蛇形線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尤其采用的具有生物粘附性的水凝膠，其楊氏模量可低至2KPa，遠(yuǎn)小于柔性電子器件中常用材料的楊氏模量(即使是楊氏模量已經(jīng)很低了的ecoflex系列，楊氏模量也在幾十到一百千帕了)，因此本發(fā)明柔性生物電極陣列與腦組織力學(xué)性能適配度更高，與腦組織的有效接觸面積更大，能夠采集到更高質(zhì)量的信號(hào)，提升了電極陣列在應(yīng)用中的安全性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于腦皮層電圖電極技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于水凝膠的柔性生物電極陣列及其制作方法。

背景技術(shù)

神經(jīng)生理活動(dòng)監(jiān)測(cè)被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，在疾病的診斷、治療與康復(fù)過(guò)程中有重要意義。常見(jiàn)的神經(jīng)信號(hào)監(jiān)測(cè)方式有腦電圖(EEG)、腦皮層電圖(ECoG)和局部場(chǎng)電位圖(LFPs)。腦電圖(EEG)電極只需貼附在頭皮外、無(wú)需植入，但其信號(hào)振幅低、信噪比低、時(shí)空分辨率低；局部場(chǎng)電位圖(LFPs)電極采集的信號(hào)質(zhì)量高、時(shí)空分辨率也高，但代價(jià)就是植入腦組織深處帶來(lái)的巨大損傷；而腦皮層電圖(ECoG)電極可以在兼顧信號(hào)質(zhì)量、時(shí)空分辨率的同時(shí)，盡可能的減小對(duì)腦部的損傷。

ECoG信號(hào)的質(zhì)量與電極和硬腦膜的接觸效果息息相關(guān)，而這種接觸效果與電極材料的楊氏模量、機(jī)械黏性有著不可分割的關(guān)系。傳統(tǒng)剛性電極與腦組織的楊氏模量存在明顯的失配，會(huì)引發(fā)腦組織的炎癥反應(yīng)、纖維細(xì)胞的膠質(zhì)增生和膠囊化，從而造成電化學(xué)穩(wěn)定性的降低，影響信號(hào)質(zhì)量，甚至?xí)?duì)腦組織帶來(lái)永久性機(jī)械損傷；而柔性生物電極的楊氏模量低，與腦組織力學(xué)性能適配度高，可增大與腦組織的有效接觸面積，并有效減緩炎癥反應(yīng)、纖維細(xì)胞的膠質(zhì)增生和膠囊化。聚酰亞胺、聚二甲基硅氧烷等柔性高分子交聯(lián)材料已廣泛應(yīng)用于生物電極的制備中，盡管這些材料與剛性金屬相比更加柔軟，但它們的楊氏模量等機(jī)械性能與生物組織還存在差距。

水凝膠是一類以水為分散介質(zhì)的新型高分子網(wǎng)狀交聯(lián)材料，含水量高、楊氏模量低、生物粘附性強(qiáng)，常被應(yīng)用于生物化學(xué)、力學(xué)等信號(hào)的傳感；而且通過(guò)改變水凝膠的化學(xué)成分、分子量、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、凝膠條件，還可以進(jìn)一步改變其電學(xué)、力學(xué)、生物等性能。但水凝膠的高含水量、低楊氏模量和高生物粘附性等特點(diǎn)，使得水凝膠在制作電極過(guò)程中較易粘附在基片上，粘附后取下又會(huì)產(chǎn)生較大的、易對(duì)整體電極產(chǎn)生損傷的形變。同時(shí)，應(yīng)用水凝膠后電極又不得處于真空、加熱等環(huán)境下，給電極的制作加大了難度。

近年來(lái)，水凝膠在傳感、生物監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用受到不少研究者的關(guān)注。Sheng H等(S heng H,Wang X,Kong N,et al.Neural interfaces by hydrogels[J].ExtremeMechanics Let ters,2019,30:100510.)制作出一款水凝膠纖維作為探針植入到老鼠顱內(nèi)，成功采集到電信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)了光刺激。但這對(duì)水凝膠性質(zhì)和制備技術(shù)的要求高，與已有的信號(hào)采集電路兼容性差，甚至需要研發(fā)對(duì)應(yīng)的電路接口。Liu T等(Liu T,Liu M,Dou S,et al.Triboelectric-nanogenerator-based soft energy-harvesting skin enabledby toughly bonded elastomer/hydrog el hybrids[J].ACS nano,2018,12(3):2818-2826.)利用水凝膠與PDMS、ecoflex等彈性體制作出仿皮膚式納米發(fā)電機(jī)，并貼附在人體各關(guān)節(jié)的皮膚上，成功地收集運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量并轉(zhuǎn)換為電能。但該水凝膠-彈性體復(fù)合材料制成的仿皮膚式摩擦納米發(fā)電機(jī)的拉伸性、延展性來(lái)自于材料本身，并未涉及到與具有精細(xì)線寬的可延展圖案的結(jié)合。現(xiàn)在ECoG信號(hào)采集都在空間上具有一定的分辨率，往往是多個(gè)通道同時(shí)采集；同時(shí)，在薄膜材料的基礎(chǔ)上引入蛇形線等可延展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也可避免因薄膜材料楊氏模量高而削弱水凝膠低楊氏模量和生物粘附在ECoG信號(hào)采集的優(yōu)勢(shì)的問(wèn)題。因此，如何將水凝膠與具有精細(xì)線寬的可延展柔性電極陣列結(jié)合成為將水凝膠應(yīng)用于ECoG信號(hào)采集的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容