一种基于液态金属的植入式柔性神经电极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于液态金属的植入式柔性神经电极，包括封装在柔性聚合物薄膜之间的液态金属电路，柔性聚合物薄膜上还开设有与液态金属电路连通的通孔，通孔中封装有可导电的液态金属封装剂；所述的液态金属封装剂是掺杂液态金属的聚合物薄膜成型剂。本发明专利技术实现了植入式神经电极的完全柔性化，可代替传统的铂金电极。本发明专利技术中采用的液态金属具有良好的导电性，极佳的柔顺性以及特有的流动性，因此将其用于制造柔性生物电极具有独特的优势。相比于传统的刚性神经电极，本发明专利技术所提出的液态金属柔性电极具有更好的生物相容性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于植入式神经电极
，涉及一种基于液态金属的植入式柔性神经电极及其制备方法。
技术介绍
神经系统是人体必不可少的重要组成部分，承载着多种重要的生理功能。随着在细胞和分子生物学领域认识的加深，人们可以从不同的结构水平对神经系统进行研究。神经系统在人体内起着至关重要的作用，因此无论是中枢神经系统还是周围神经系统出现问题都会给人们的日常生活带了非常严重的影响。神经系统疾病有很多，常见的中枢神经系统疾病有癫痫、阿尔茨海默病、帕金森病、药物依赖、睡眠障碍、精神障碍等；周围神经系统常见的一般为神经夹伤、神经断裂等疾病。由于神经系统结构复杂而且容易出现结构或生理功能上的异常，因此很难通过自身的调节恢复健康。在神经性疾病治疗领域，可植入神经假体是一种为研究和治疗神经性疾病而开发出的工程化产品。例如用于恢复失聪患者听力的人工耳蜗、用于抑制帕金森症的脑深部刺激装置以及用于缓解疼痛的脊髓神经调节装置等。由上面提到的神经性疾病的病因来看，神经系统的异常放电是导致某些神经性疾病的主要原因。目前有些研究人员采用电子、化学以及光学等方法用于对神经系统放电现象的调控，从而开启了一条治疗神经性疾病的新道路。此外，新材料的开发和利用也大大提高了神经植入物的治疗效果。在中枢神经系统植入物研究的过程中，人们发现直接将电极植入人体内在短时间内具有很好的使用效果，但是随着时间的推移，电极会逐渐失去作用。有研究表明，造成这种现象的主要原因在于脑组织对植入物的免疫反应。一方面是电极材料本身与脑组织之间存在免疫反应；另一方面是电极在插入脑部的过程中对脑组织造成机械性损伤。目前多通过在电极表面涂抹生物相容性材料以减缓免疫反应。还有研究表明神经植入电极的机械性能在一定程度上也会影响其生物相容性。因此，改变神经电极的机械性能，使用与脑组织机械性能相似的神经电极材料可以提高神经电极的使用效果。一般的金属材料往往具有很高的熔点，而有些金属材料，如汞在常温下保持液体形态。虽然汞可以在常温下保持液态，但是其毒性较强，不适合在人体内应用。与汞类似，镓及其与铟和锡的合金具有较低的熔点。镓铟锡合金具有较宽的液态温度范围，并且化学性质稳定。实验表明，将镓铟锡合金暴露在20摄氏度空气中，仅有微量的金属被氧化。此外，金属镓在300到400摄氏度时具有一定的化学腐蚀性，而在常温下这种腐蚀作用非常小。金属镓不能溶解于水中，因此镓不易通过皮肤被吸收。除金属镓外，铟和锡元素的生物相容性也可从临床研究中推断出来。实际上，镓铟锡合金曾经被用作牙科填充材料。金属锡常制成容器盛装食物，其无机化合物不易被人体吸收。由于液态金属的熔点较低，因此同时具有金属的导电性、导热性和放射成像能力以及液体所具有的流动性和顺应性。液态金属这种独特的性质，使其在生物医学领域有着广阔的应用前景。
技术实现思路
本专利技术解决的问题在于提供一种基于液态金属的植入式柔性神经电极及其制备方法，具有与生物组织相似的力学特性，使得该种植入物具有较小的免疫反应，可以提高植入物的生物相容性。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种基于液态金属的植入式柔性神经电极，包括封装在柔性聚合物薄膜之间的液态金属电路，柔性聚合物薄膜上还开设有与液态金属电路连通的通孔，通孔中封装有可导电的液态金属封装剂；所述的液态金属封装剂是掺杂液态金属的聚合物薄膜成型剂。所述的柔性聚合物薄膜是依赖于模具经变性成型，具有模具所提供的平面结构或三维结构；液态金属电路由液态金属喷涂掩膜板成型，具有掩膜板所提供的电路结构。所述的液态金属电路包括电极端、液态金属导线和外部接口端，电极端与通孔位置相对应，外部接口端分布在柔性聚合物薄膜的一侧，具有与外部电路相匹配的端口。所述的电极端呈阵列分布在柔性聚合物薄膜上，每个电极端通过一条液态金属导线与外部接口端相连接；液态金属导线平行设置，间距相等或不等；或者，柔性聚合物薄膜上设有单一的电极端，电极端通过液态金属导线与外部接口端相连接。根据液态金属电路中的电极端的分布，所述的植入式柔性神经电极包括阵列式中枢神经系统植入电极和袖口式外周神经系统植入电极。所述的阵列式中枢神经系统植入电极，包括相互贴合的下层聚合物薄膜和上层聚合物薄膜、以及夹持其间的液态金属电路，下层聚合物薄膜上设有呈阵列排列的电极端，电极端通过液态金属导线与设置在另一端的外部接口端相连，液态金属导线之间相互平行；上层聚合物薄膜上开设有与电极端一一对应的通孔，其中封装有液态金属封装剂。所述的袖口式外周神经系统植入电极，包括相互贴合的下层聚合物薄膜和上层聚合物薄膜、以及夹持其间的液态金属电路，下层聚合物薄膜、上层聚合物薄膜弯折或曲折成具有三维空间的结构；下层聚合物薄膜上设有单一电极端，电极端通过液态金属导线与设置在另一端的外部接口端相连；上层聚合物薄膜上开设有与电极端位置相对应的通孔，其中封装有液态金属封装剂。所述的阵列式中枢神经系统植入电极中，下层聚合物薄膜、上层聚合物薄膜均为透明的长方形状薄膜，其厚度为微米级；所述的袖口式外周神经系统植入电极中，下层聚合物薄膜、上层聚合物薄膜，前段均为长方形状薄膜弯折而成的细长圆弧，后端均为长条形薄膜。所述的液态金属电路是由常温下保持液体形态的液态金属成型；所述的柔性聚合物薄膜是由聚合物薄膜成型剂在模具中经加热聚合而成型，所述的聚合物薄膜成型剂是聚合物反应液与固化剂的混合液。所述的液态金属为镓铟合金或掺杂锡的镓铟合金；所述的聚合物薄膜成型剂是PDMS聚合液与硅胶固化剂以5～15:1的质量比混合而得到的混合液。一种基于液态金属的植入式柔性神经电极的制备方法，包括以下操作：1)将聚合物反应液与固化剂以5～15:1的质量比混合得到聚合物薄膜成型剂，然后将其均匀涂抹在模具表面或者灌注在模具内，加热条件下使聚合物薄膜成型剂凝固，得到柔性聚合物薄膜；2)将掩膜板覆盖在柔性聚合物薄膜上，使用液态金属喷枪将液态金属均匀喷涂在柔性聚合物薄膜上；然后掩膜板取下，将掩膜板外多余的液态金属微液滴清洗干净，柔性聚合物薄膜上的液态金属电路制作完成；3)使用打孔器在另一柔性聚合物薄膜上打出与液态金属电路的电极端位置相对应的通孔，然后将该柔性聚合物薄膜与喷涂了液态金属的柔性聚合物薄膜紧密粘合；4)将液态金属与聚合物薄膜成型剂搅拌均匀，使液态金属微滴均匀分布在聚合物薄膜成型中，得到液态金属封装剂，然后将其灌注在通孔中，加热使其凝固完成封装。所述的模具包括平板、具有空间结构的三维模具、3D打印技术制作的指定模具；所述的掩膜板为塑料或金属掩膜板，其上刻蚀有与柔性聚合物薄膜形状相匹配的电路图形。所述的植入式柔性神经电极为阵列式中枢神经系统植入电极，其制备包括以下操作：1)将PDMS与硅胶固化剂以5～15:1的质量比混合得到聚合物薄膜成型剂，然后将其均匀涂抹在玻璃表面，于75～80℃加热0.5～1h使聚合物薄膜成型剂凝固，得到柔性聚合物薄膜；2)将掩膜板覆盖在柔性聚合物薄膜上，掩膜板上刻蚀有呈阵列分布的电极端、平行排列的金属导线和接口端，使用液态金属喷枪将液态金属均匀喷涂在柔性聚合物薄膜上；然后掩膜板取下，使用酒精或碱性溶液将掩膜板外多余的液态金属微液滴清洗干净，柔性聚合物薄膜上的液态金属电路制作完成；3)使用打孔器在另一柔性聚合物薄膜上打出与液态金属电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于液态金属的植入式柔性神经电极，其特征在于，包括封装在柔性聚合物薄膜(3)之间的液态金属电路(4)，柔性聚合物薄膜(3)上还开设有与液态金属电路(4)连通的通孔，通孔中封装有可导电的液态金属封装剂(5)；所述的液态金属封装剂是掺杂液态金属的聚合物薄膜成型剂。

【技术特征摘要】
1.一种基于液态金属的植入式柔性神经电极，其特征在于，包括封装在柔性聚合物薄膜(3)之间的液态金属电路(4)，柔性聚合物薄膜(3)上还开设有与液态金属电路(4)连通的通孔，通孔中封装有可导电的液态金属封装剂(5)；所述的液态金属封装剂是掺杂液态金属的聚合物薄膜成型剂。2.如权利要求1所述的基于液态金属的植入式柔性神经电极，其特征在于，所述的柔性聚合物薄膜(3)是依赖于模具经变性成型，具有模具所提供的平面结构或三维结构；液态金属电路(4)由液态金属喷涂掩膜板成型，具有掩膜板所提供的电路结构。3.如权利要求1所述的基于液态金属的植入式柔性神经电极，其特征在于，所述的液态金属电路(4)包括电极端(2f)、液态金属导线(2g)和外部接口端(2h)，电极端(2f)与通孔位置相对应，外部接口端(2h)分布在柔性聚合物薄膜(3)的一侧，具有与外部电路相匹配的端口。4.如权利要求3所述的基于液态金属的植入式柔性神经电极，其特征在于，所述的电极端(2f)呈阵列分布在柔性聚合物薄膜(3)上，每个电极端(2f)通过一条液态金属导线(2g)与外部接口端(2h)相连接；液态金属导线(2g)平行设置，间距相等或不等；或者，柔性聚合物薄膜(3)上设有单一的电极端(2f)，电极端(2f)通过液态金属导线(2g)与外部接口端(2h)相连接。5.如权利要求1或3所述的基于液态金属的植入式柔性神经电极，其特征在于，根据液态金属电路(4)中的电极端的分布，所述的植入式柔性神经电极包括阵列式中枢神经系统植入电极和袖口式外周神经系统植入电极。6.如权利要求5所述的基于液态金属的植入式柔性神经电极，其特征在于，所述的阵列式中枢神经系统植入电极，包括相互贴合的下层聚合物薄膜和上层聚合物薄膜、以及夹持其间的液态金属电路，下层聚合物薄膜上设有呈阵列排列的电极端，电极端通过液态金属导线与设置在另一端的外部接口端相连，液态金属导线之间相互平行；上层聚合物薄膜上开设有与电极端一一对应的通孔，其中封装有液态金属封装剂(5)。7.如权利要求6所述的基于液态金属的植入式柔性神经电极，其特征在于，所述的袖口式外周神经系统植入电极，包括相互贴合的下层聚合物薄膜和上层聚合物薄膜、以及夹持其间的液态金属电路，下层聚合物薄膜、上层聚合物薄膜弯折或曲折成具有三维空间的结构；下层聚合物薄膜上设有单一电极端，电极端通过液态金属导线与设置在另一端的外部接口端相连；上层聚合物薄膜上开设有与电极端位置相对应的通孔，其中封装有液态金属封装剂(5)。8.如权利要求5所述的基于液态金属的植入式柔性神经电极，其特征在于，所述的阵列式中枢神经系统植入电极中，下层聚合物薄膜、上层聚合物薄膜均为透明的长方形状薄膜，其厚度为微米级；所述的袖口式外周神经系统植入电极中，其下层聚合物薄膜、上层聚合物薄膜，前段均为长方形状薄膜弯折而成的细长圆弧，后端均为长条形薄膜。9.如权利要求1～8任何一项权利要求所述的基于液态金属的植入式柔性神经电极，其特征在于，所述的液态金属电路(4)是由常温下保持液体形态的液态金属喷涂成型；所述的柔性聚合物薄膜(3)是由聚合物薄膜成型剂在模具中经加热聚合而成型，所述的聚合物薄膜成型剂是聚合物反应液与固化剂的混合液。10.如权利要求9所述的基于液态金属的植入式柔性神经电极，其特征在于，所述的液态金属为镓铟合金或掺杂锡的镓铟合金；所述的聚合物薄膜成型剂是PDMS聚合液与硅胶固化剂以5～15:1的质量比混合而得到的混合液。11.一种基于液态金属的植入式柔性神经电极的制备方法，其特征在于，包括以下操作：1)将聚合物反应液与固化剂以5～15:1的质量比...

【专利技术属性】
技术研发人员：国瑞，盛磊，刘静，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11