基于液态金属微流道的注射式微针电极及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种基于液态金属微流道的注射式微针电极及其制备方法，所述注射式微针电极包括柔性聚合物微针管(1)、柔性聚合物微流道(2)、液态金属(3)、金属连接片(4)、硅胶软管(5)和微注射泵(6)等部分。本发明专利技术兼顾液态金属在流动性和导电性方面的优势，首次将其用于注射式微针电极的制备，而且柔性聚合物微流道的应用为注射式微针电极阵列的制备提供便利，可以实现对多个位点的生理信号检测和电刺激。本发明专利技术采用微注射泵的方式将液态金属注射到微流道中，最终进入微针管内形成液态金属微电极或电极阵列，相比于传统的固体金属微针电极具有柔性高、可注射以及制作工艺简单，成本低廉等优点。

Injection micro needle electrode based on liquid metal microfluidic channel and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
基于液态金属微流道的注射式微针电极及其制备方法
本专利技术涉及医用材料领域，具体地说，涉及一种基于液态金属微流道的注射式微针电极及其制备方法。
技术介绍
中枢神经系统是人体中最复杂的生理系统之一，承载着多种重要的生理功能。一方面，人们对神经系统的研究往往通过检测中枢神经系统的生理电信号，从而进一步推断神经系统的各种行为；另一方面，对神经系统施加特定的电刺激信号可以对神经系统进行调控，用以治疗相关的神经系统疾病，例如，对大脑深部进行电刺激在一定程度上可以减轻帕金森病甚至是阿尔茨海默病的症状。近些年来，随着人们对脑科学认识的加深以及电子技术的进步，通过人造电子神经植入物治疗中枢神经系统疾病的方法开始在生物医学领域得到广泛应用。对中枢神经系统的电刺激往往需要多根电极组成的微电极阵列，而对于脑深部的神经电刺激则需要微针电极阵列。目前的微针电极阵列多采用微加工技术在硅板表面刻蚀出相应的微针电极，或将极细的金属丝固定在硅板上作为微针电极。随着研究的深入，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。为解决上述问题，目前的研究重点在于改善微针电极机械性能，采用柔性电极材料取代传统的坚硬金属丝，如高分子导电材料等。而且，中枢神经系统植入物一般通过手术植入人体，而电极的取出则需要进行二次手术，容易造成二次伤害。此外，用于神经信号检测或电刺激的电极往往采用铂金一类的贵金属材料，因而成本较高，且造成资源的浪费。液态金属是一类熔点较低的金属或合金，如常见的金属汞。金属汞具有很强的毒性，因而很难应用于生物医学领域。其他类型的液态金属，如镓基合金和铟基合金等材料在常温下也可以保持液态，而且具有金属的导电性和导热性，重要的是，此类合金生物毒性较低，可以用于生物医学领域，例如有研究将铋铟锡合金用于制造新型的合金骨水泥，将液态金属用于断裂外周神经的重新连接等。
技术实现思路
本专利技术针对目前微针电极存在的问题和不足，提出了一种基于液态金属微流道的注射式微针电极及其制备方法。为了实现本专利技术目的，本专利技术提供的基于液态金属微流道的注射式微针电极，包括柔性聚合物微针管1、柔性聚合物微流道2、液态金属3、金属连接片4、硅胶软管5和微注射泵6；所述柔性聚合物微针管1呈圆锥形，沿其中轴线是内径为1-500微米的空心圆管，将其尖端作为电极端，另一端为非电极端；所述柔性聚合物微流道2与所述柔性聚合物微针管1垂直连接，所述柔性聚合物微流道2是指内部设有一条通道的长方形硅片，硅片厚度为1-2mm，该通道的一个端口设置在所述长方形硅片的横截面中央，在该端口内插入所述硅胶软管5，通过硅胶软管与所述微注射泵6连接；该通道沿着与所述长方形硅片长边平行的中轴线设置，通道的另一端与所述柔性聚合物微针管1的空心圆管连通；所述金属连接片4呈U形，位于所述柔性聚合物微流道2和所述硅胶软管5的接口处，一端插入微流道内，另一端暴露在微流道的硅片表面，用于与检测仪器相连；所述微注射泵6内填充液态金属3，使用时将液态金属3通过硅胶软管5注射到柔性聚合物微流道2内，再由微流道进入柔性聚合物微针管1内，最终到达顶端，形成电极端。所述柔性聚合物微针管由柔性聚合物材料铸模而成。本专利技术使用的柔性聚合物包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)等弹性高分子材料。例如，采用DowCorning公司生产的PDMS材料。此类材料具有较高的柔性和可拉伸特性，并且生物相容性较好，被广泛应用于植入式电极的制备。此外，其他种类的聚合物材料如硅胶、树脂等也可以用于微流道的制备。本专利技术中用于铸模制备所述柔性聚合物微针管的材料为聚二甲基硅氧烷和硅胶固化剂按10:1-5(优选10:1)的质量比混合制成。其中，所述硅胶固化剂为缩聚型双组份硅橡胶(RTV-2)交联剂，购自深圳荣兴达公司。所述柔性聚合物微针管1和柔性聚合物微流道2可采用等离子键合的方法粘合连接。所述液态金属是在常温下保持液态的一类金属或合金材料，包括镓基合金、铟基合金、铋基合金等；或者，所述液态金属是金属表面经过修饰的合金材料，所述修饰包括氧化或电镀处理。不同的含量配比可以得到不同熔点和导电性能的液态金属合金，如镓铟合金、镓铟锡合金或铋铟锡合金等。优选地，所述液态金属是由镓和铟按75.5：24.5的质量比组成的镓铟合金，所述镓铟合金的熔点为10.35℃。本专利技术采用微注射泵注射液态金属，其他类型的注射方式，如气泵、注射器等同样属于本专利技术保护范围内。本专利技术还提供所述注射式微针电极的制备方法，包括以下步骤：1)制备柔性聚合物微针管：采用3D打印或精加工技术制作微针管的浇注模具，将聚二甲基硅氧烷和硅胶固化剂按比例混合，灌注到模具中，于75℃加热0.5-1h(优选1h)，然后降至室温，取下模具即得柔性聚合物微针管；2)制备柔性聚合物微流道：采用蚀刻技术在一块厚度为1-2mm的长方形硅片内部形成一条L形通道，该通道的一个端口设置在所述长方形硅片的横截面中央，该通道沿着与所述长方形硅片长边平行的中轴线设置，通道的另一端口设置在与所述长方形硅片的横截面平行方向上的硅片外表面；3)将步骤1)和步骤2)制得的柔性聚合物微针管和柔性聚合物微流道采用等离子键合的方法垂直连接，使所述柔性聚合物微流道与所述柔性聚合物微针管的空心圆管连通；所述等离子键合的操作方法具体如下：将柔性聚合物微针管和柔性聚合物微流道贴合在一起，放入PDMS芯片等离子键合机(型号为GPC-102A，购自通罗马科技(北京)有限公司)中；首先对等离子键合机的腔体进行抽真空处理；然后使用氧气反复冲洗，排除其余气体；关闭氧气流，将真空腔抽真空到真空度(氧气压力)为13.3～40Pa；加高压1400～2000V使真空腔内的氧气起辉，对薄膜表面进行氧等离子体轰击，即可完成对薄膜的键合；4)将U形金属连接片一端插入到柔性聚合物微流道位于边缘的端口，并将硅胶软管插入其中；将硅胶软管的另一端连接填充有液态金属的微注射泵，即得。前述的方法，步骤2)中所述通道的高度为50微米，宽度为100微米。本专利技术还提供将多根基于液态金属微流道的注射式微针电极组合成的电极阵列，包括若干个柔性聚合物微针管1、柔性聚合物微流道阵列2′、液态金属3、金属连接片4、硅胶软管5和微注射泵6；所述柔性聚合物微针管1呈圆锥形，沿其中轴线是内径为1-500微米的空心圆管，将其尖端作为电极端，另一端为非电极端；每个柔性聚合物微针管与一条柔性聚合物微流道相对应，柔性聚合物微流道与所述柔性聚合物微针管1垂直连接；所述柔性聚合物微流道阵列2′呈辐射状分布在一个圆形硅片上，硅片厚度为1-2mm，每条微流道的一端与相应柔性聚合物微针管1的空心圆管连通，微流道的另一端汇集于圆形硅片中央，通过所述硅胶软管5与所述微注射泵6连接；所述金属连接片4呈U形，位于所述硅胶软管5与所述微注射泵6的接口处，其一端插入硅胶软管内，另一端暴露在硅胶软管的外侧，用于与检测仪器相连；所述微注射泵6内填充液态金属3，使用时将液态金属3通过硅胶软管5注射到柔性聚合物微流道2内，再由微流道进入柔本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于液态金属微流道的注射式微针电极，其特征在于，包括柔性聚合物微针管(1)、柔性聚合物微流道(2)、液态金属(3)、金属连接片(4)、硅胶软管(5)和微注射泵(6)；所述柔性聚合物微针管(1)呈圆锥形，沿其中轴线是内径为1‑500微米的空心圆管，将其尖端作为电极端，另一端为非电极端；所述柔性聚合物微流道(2)与所述柔性聚合物微针管(1)垂直连接，所述柔性聚合物微流道(2)是指内部设有一条通道的长方形硅片，硅片厚度为1‑2mm，该通道的一个端口设置在所述长方形硅片的横截面中央，在该端口内插入所述硅胶软管(5)，通过硅胶软管与所述微注射泵(6)连接；该通道沿着与所述长方形硅片长边平行的中轴线设置，通道的另一端与所述柔性聚合物微针管(1)的空心圆管连通；所述金属连接片(4)呈U形，位于所述柔性聚合物微流道(2)和所述硅胶软管(5)的接口处，一端插入微流道内，另一端暴露在微流道的硅片表面，用于与检测仪器相连；所述微注射泵(6)内填充液态金属(3)，使用时将液态金属(3)通过硅胶软管(5)注射到柔性聚合物微流道(2)内，再由微流道进入柔性聚合物微针管(1)内，最终到达顶端管口，形成电极端。

【技术特征摘要】
1.基于液态金属微流道的注射式微针电极，其特征在于，包括柔性聚合物微针管(1)、柔性聚合物微流道(2)、液态金属(3)、金属连接片(4)、硅胶软管(5)和微注射泵(6)；所述柔性聚合物微针管(1)呈圆锥形，沿其中轴线是内径为1-500微米的空心圆管，将其尖端作为电极端，另一端为非电极端；所述柔性聚合物微流道(2)与所述柔性聚合物微针管(1)垂直连接，所述柔性聚合物微流道(2)是指内部设有一条通道的长方形硅片，硅片厚度为1-2mm，该通道的一个端口设置在所述长方形硅片的横截面中央，在该端口内插入所述硅胶软管(5)，通过硅胶软管与所述微注射泵(6)连接；该通道沿着与所述长方形硅片长边平行的中轴线设置，通道的另一端与所述柔性聚合物微针管(1)的空心圆管连通；所述金属连接片(4)呈U形，位于所述柔性聚合物微流道(2)和所述硅胶软管(5)的接口处，一端插入微流道内，另一端暴露在微流道的硅片表面，用于与检测仪器相连；所述微注射泵(6)内填充液态金属(3)，使用时将液态金属(3)通过硅胶软管(5)注射到柔性聚合物微流道(2)内，再由微流道进入柔性聚合物微针管(1)内，最终到达顶端管口，形成电极端。2.根据权利要求1所述的注射式微针电极，其特征在于，用于制备所述柔性聚合物微针管的材料为聚二甲基硅氧烷和硅胶固化剂按10:1-5的质量比混合制成。3.根据权利要求1或2所述的注射式微针电极，其特征在于，所述液态金属是在常温下保持液态的一类金属或合金材料，包括镓基合金、铟基合金、铋基合金；或者，所述液态金属是金属表面经过修饰的合金材料，所述修饰包括氧化或电镀处理。4.根据权利要求3所述的注射式微针电极，其特征在于，所述液态金属为镓铟合金、镓铟锡合金或铋铟锡合金；优选地，所述液态金属是由镓和铟按75.5：24.5的质量比组成的镓铟合金，所述镓铟合金的熔点为10.35℃。5.根据权利要求1-4任一项所述的注射式微针电极，其特征在于，将所述柔性聚合物微针管(1)和柔性聚合物微流道(2)采用等离子键合的方法粘合连接。6.权利要求2-5任一项所述注射式微针电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)制备柔性聚合物微针管：采用3D打印或精加工技术制作微针管的浇注模具，将聚二甲基硅氧烷和硅胶固化剂按比例混合，灌注到模具中，于75℃加热0.5-1h，然后降至室温，取下模具即得柔性聚合物微针管；2)制备柔性聚合物微流道：采用蚀刻技术在一块厚度为1-2mm的长方形硅片内部形成一条L形通道，该通道的一个端口设置在所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：国瑞，盛磊，邓中山，蔡昌礼，刘静，
申请(专利权)人：云南科威液态金属谷研发有限公司，
类型：发明
国别省市：云南,53