一种植入式光刺激和电记录集成的柔性神经电极制造技术

本发明专利技术公开了属于神经工程和脑科学的微电极技术领域的一种光刺激和电记录集成的柔性神经电极。该电极具有柔性的包裹，电极外层具备与脑组织相似的弹性模量，在电极植入过程中减小了对脑组织的机械损伤，又由于电极外层材料具有良好的生物相容性，提升电极植入后的长期可用性；电极中加入PEDOT/PSS/MWCNT神经电极修饰材料，具有更低的阻抗和良好的伏安特性，能显著提高其电学性能与生物学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种植入式光刺激和电记录集成的柔性神经电极
本专利技术属于神经工程和脑科学的微电极
，具体涉及一种光刺激和电记录集成的柔性神经电极及其制备方法。
技术介绍
光遗传技术为神经科学提供了一种变个性的研究手段，可实现特定类型神经元活动的调控。在光遗传研究中，光电极起到将光刺激传递到目标区域的作用，并在近年研究推动下，发展出了同时具备光刺激区域的电信号记录、药物传递等多功能。最初，光电极的主要形式是光纤与微丝电极整合实现光刺激的同时记录神经元电信号（AlexexaiVKiavite、KeitaTamura等），可满足基本的光遗传学实验需求，但电极的功能及空间精度均一般。随着微制造技术发展，人们开始采用化学气象沉积（CVD）、光刻等技术制作神经光电极（EuisikYoon等、EricG.R、FanWu），这些光电极在空间定位精度及分辨率上有着更好性能。近年来，光电极研究更加关注电极的多功能性、机械性能及生物相容性。光电极的多功能性主要体现在光刺激与电信号记录的同步。2015年，JoonheeLee等以透明的半导体ZnO为材料，制备了具备多通道光刺激与电信号记录功能的光电极阵列，并具有很高的空间精度。2015年，AndresCanales等研究了一种可以对活动老鼠进行高分辨率光刺激、电记录和药物传递的纤维电极，该电极在弯曲变形情况下仍具有良好的机械、电、光和微流体测量功能。研究表明，植入式电极的机械性能是引发慢性植入后脑组织免疫反应的重要因素。为此，更多的研究者关注如何制备出柔性的光电极，以提升电极的长期有效性。植入电极柔性化的方法很多，可以使用本身具有柔性的材料制作电极基底，C.H.Chen等人，采用SU-8胶作为基底的石墨烯光电极，可以随意弯折90°。聚二甲基硅氧烷（PDMS）也是常用的一种柔性植入电极的基底材料，J.W.Jeong等人将微LED精确装配在PDMS基底上，并在基底上设计加热给药的通道，将光刺激与给药结合制备了一种柔性、生物相容性良好的光电极。也有研究在电极周围包裹一层柔性材料增加电极整体的柔性，2011年Szu-TeLin等人用V槽毛细装配的方法制备了一个深度脑光刺激和集聚的光电极，通过在镍钛合金外包裹柔性PDMS，制备出了柔性的光刺激电极，而且能够在组织插入和长时间研究中不产生裂纹。2015年，SungIlPark等人通过柔性的聚酰亚胺（PI）和PDMS材料包裹LED及无线电路，研发了柔性的无线植入式光电极系统，实现了小鼠外周和脊髓神经的光刺激调节，对于光遗传技术的慢性临床应用具有重要意义。光电极的生物相容性是另一重要指标。2015年，JoonheeLee等以透明的半导体ZnO为材料，制备了具备多通道光刺激与电信号记录功能的光电极阵列，在ZnO的尖端进行了ITO材料修饰，提升了信号采集界面的生物相容性。此外，导电凝胶作为一种具有良好柔性、生物相容性、导电性的材料在修饰神经电极方面有非常显著的优点。RylieA.Green等人利用聚乙烯醇水凝胶与导电聚合物聚3,4-乙烯二氧噻吩（PEDOT）结合，采用电聚合的方法制备了一种与脑组织样式模量接近的电极柔性修饰物，在柔性电极修饰领域有重要的意义。目前大多光电极研究报道以光纤整合的微丝电极为主，其组织侵入性较大，光纤的刚性更是使得在长期植入过程中电极容易对组织造成较大的损伤，从而导致免疫炎症反应的加剧最终使得电极失效。已有研究研发了皮层表面柔性材质电极用于光电同步刺激及加载，但尚未有研究报道一种柔性的皮层内光电极，来实现皮层内的慢性光遗传学研究。柔性侵入式电极可以很大程度上降低对脑组织的机械损伤，从而提升电极的长期、稳定信号采集能力，对于光电极的有效性非常重要。同时，对电极表面的修饰可有效提升电极的信号采集能力。研究表明蓬松材料表面的植入电极能够减小脑组织的免疫排斥反应，聚乙烯醇/多壁碳纳米管（PVA/MWCNT）凝胶由于其良好的生物相容性及机械性能在神经电极修饰方面具有巨大的应用潜力，但其作为一种柔性的神经电极修饰材料的应用性能有待挖掘。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种同时具备光刺激和电记录功能的柔性神经电极及其制备方法，该电极具有柔性的包裹，有助于减少电极植入后对脑组织的机械损伤从而提升电极的生物相容性及长期可用性；电极中加入聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸/多壁碳纳米管（PEDOT/PSS/MWCNT）神经电极修饰材料，能显著提高其电学性能与生物学性能。为实现上述目的，本专利技术通过如下技术方案实现：所述的植入式光刺激和电记录集成的柔性神经电极由电极主体、电信号接口以及光纤插芯构成。其中电极主体具有透明导光基底、混合导电凝胶、电极微丝以及支撑钨丝。导光基底将导电凝胶、支撑钨丝包裹在内，形成一段针状的电极外形；所述混合导电凝胶填充在电极微丝与导光基底之间的间隙中；所述电极微丝在电极主体后端延伸出一段距离，并与电信号接口的针脚焊接导通。电极主体的外径与光纤插芯的内径恰好匹配。优选地，所述电极的制备包括如下步骤：S1：制作电极导光基底在一根毛细玻璃管中平行插入多根钨丝，使钨丝两端暴露在毛细玻璃管端外侧一段距离，将长出的这一段距离全部向外弯折后均匀分布的贴于玻璃管外壁；将硅胶和硬化剂（康宁sylgard184型号）按质量比10:1混合，搅拌均匀后抽真空去除空气泡，利用注射器抽取配制完成的PDMS，将固定了钨丝的毛细玻璃管的底端插入注射器针管并密封两者间隙，缓慢推动注射器推杆，将PDMS注入玻璃管内，保证PDMS充满管内空隙；利用AB胶封住毛细玻璃管下端以防止PDMS流出；将毛细玻璃管垂直放置到60°烤箱内固化，固化完成后剪除毛细管密封的底端，留一根钨丝保持电极的刚性，抽出多余的钨丝形成微通道，形成电极的导光基底。S2：制备PEDOT/PSS/MWCNT电镀液在纯水中加入MWCNT（0.2mg/ml）经超声震荡至充分混匀；之后在混合液中先后加入EDOT（乙烯二苯噻吩，0.1wt%）、PSS（聚苯乙烯磺酸，0.2wt%），经超声震荡直至充分混匀。S3：制备电极微丝取一段电极微丝，通过酒精灯加热去除其微丝两端表面绝缘层后，将一端焊接在电极插头上，另一端浸入S2所述的PEDOT/PSS/MWCNT电镀液中。通过电化学工作站三电极体系进行电镀修饰，采用恒定电流法，聚合电流为100nA，电镀时间为100s。电镀后取下电极微丝。S4：装配电极微丝通过S3所述步骤，完成多根电极微丝的制备，在显微镜观察下，将制备完成的电极微丝逐一插入S1制作完成的导光基底的微通道中，保证每个微通道中插入一根微丝，微丝电镀的一端朝前，微通道前端留出约5mm空隙，微丝在微通道后端延伸出一段长度。S5：制备PVA/MWCNT导电凝胶将0.5mg/ml浓度MWCNT与纯水的混合液超声震荡充分混匀后，以1:10的重量配比加入PVA并在80℃下加热搅拌直至充分溶解混合。S6：灌注导电凝胶用注射器抽取S5所制备好的PVA/MWCNT导电凝胶，将S4所述装配好电极微丝的导光基底前端伸入注射器针管并密封两者间隙。缓慢推动注射器推杆，将导电凝胶注满导光基底与电极微丝之间的空隙，完成后卸下导光基底并清理密封位置，初步制作完成电极主体。S7：冻融交联导电凝胶将S6完成的电极主体在-20℃下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种植入式光刺激和电记录集成的柔性神经电极，其特征在于，所述电极由电极主体（1）、电信号接口（2）以及光纤插芯（3）构成。

【技术特征摘要】
1.一种植入式光刺激和电记录集成的柔性神经电极，其特征在于，所述电极由电极主体（1）、电信号接口（2）以及光纤插芯（3）构成。2.根据权利要求1所述的一种光刺激和电记录集成的柔性神经电极，其特征在于，所述电极主体（1）具有导光基底（11）、混合导电凝胶（12）、电极微丝（13）、支撑钨丝(14)；导光基底（11）将混合导电凝胶(12)、支撑钨丝(14)包裹在内，形成一段针状的电极外形；所述混合导电凝胶(12)填充在电极微丝(13)与导光基底(11)之间的间隙中；所述电极微丝(13)的尾端(131)在电极主体(1)后端延伸出一段距离。3.根据权利要求1所述的一种光刺激和电记录集成的柔性神经电极，其特征在于，所述电极微丝（13）的尾端（131）与电信号接口（2）的底部插针（21）焊接导通。4.根据权利要求1所述的一种光刺激和电记录集成的柔性神经电极，其特征在于，所述电极主体（1）的外径与光纤插芯（3）的内径匹配。5.根据权利要求2所述的一种光刺激和电记录集成的柔性神经电极，其特征在于，所述导光基底（11）的材料为聚二甲基硅氧烷，所述混合导电凝胶（12）为聚乙烯醇与多壁碳纳米管的混合凝胶，所述电极微丝（13）为具有绝缘层的镍铬合金或铂铱合金微丝。6.根据权利要求1所述的一种植入式光刺激和电记录集成的柔性神经电极的制备方法，其特征在于，按照如下步骤进行：S1：制作电极导光基底在一根毛细玻璃管中平行插入多根钨丝，使钨丝两端暴露在毛细玻璃管端外侧一段距离，将长出的这一段距离全部向外弯折后均匀分布的贴于玻璃管外壁；将硅胶和硬化剂按质量比10:1混合，搅拌均匀后抽真空去除空气泡，利用注射器抽取配制完成的聚二甲基硅氧烷，将固定了钨丝的毛细玻璃管的底端插入注射器针管并密封两者间隙，缓慢推动注射器推杆，将聚二甲基硅氧烷注入玻璃管内，保证聚二甲基硅氧烷充满管内空隙；利用AB胶封住毛细玻璃管下端以防止聚二甲基硅氧烷流出；将毛细玻璃管垂直放置到60°烤箱内固化，固化完成后剪除毛细管密封的底端，留一根钨丝保持电极的刚性，抽出多余的钨丝形成微通道，形成电极的导光基底；S2：制备聚3,4-乙烯二氧噻吩、聚苯乙烯磺酸、多壁碳纳米管电镀液在纯水中加入浓度为0.2mg/ml的多壁碳纳米管经超声震荡至充分混匀；之后在混合液中先后加入0.1wt%的聚3,4-乙烯二氧噻吩、0.2wt%聚苯乙烯磺酸，经超声震荡直至充分混匀；S3：制备电极微丝取一段电极微丝，通过酒精灯加热去除其微...

【专利技术属性】
技术研发人员：王常勇，周瑾，李斯伟，赵宇伟，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院军事医学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11