一种分层制造的可植入式柔性神经电极及其制备方法技术

本发明专利技术涉及神经电极领域，尤其涉及一种分层制造的可植入式柔性神经电极及其制备方法，所述神经电极为一端封口、另一端开口、并且类似于试管状的柔性中空圆柱结构，所述神经电极的管壁部分由内到外依次包括绝缘基底层、金属图案导电层、封装绝缘层、若干连接触点以及若干电极触点；其中，所述连接触点，位于所述神经电极的开口端并与所述金属图案导电层的上部端点接触连通；所述电极触点，位于所述封装绝缘层表面、并与位于所述金属图案层的图案分支部分的下部端点部分的焊盘接触连通。本发明专利技术所得电极密封性好，制备得到的电极能够为更复杂和更精细的检测场景，满足电极使用快速迭代的需求。

An implantable flexible neural electrode and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种分层制造的可植入式柔性神经电极及其制备方法
本专利技术涉及神经电极领域，尤其涉及一种分层制造的可植入式柔性神经电极及其制备方法。
技术介绍
神经电极是神经学研究中的热点问题，是将神经元与外部电子设备连接起来的桥梁，通过神经电极我们可以测量到大脑皮层的电生理信号，包括局部场电位和动作电位，这对于脑科学的发展和脑疾病的诊断具有重大意义，比如癫痫、帕金森和阿尔兹海默病等。性能优异的神经电极需要具备以下两个条件：1、植入损伤小，降低脑组织对电极的排异反应；2、能够对于神经信号测量具有较高的时空分辨率。目前，应用最广的是硅基刚性神经电极，硅基神经电极具有较高的时空分辨率，能够记录到单个神经元的动作电位，但是硅基神经电极的力学性能与大脑皮层存在较大差异，容易在脑组织里产生微移动，引起较大的免疫反应，而且在电极周围会产生大量胶质细胞，导致电极失效。神经系统是人类的任务处理中心和指挥中枢，人类可以通过采集神经信号对神经系统活动进行分析，从而实现对假肢的控制，也可以通过电刺激神经细胞来治疗帕金森、癫痫等脑部神经性疾病。随着微电子技术及材料科学的不断进步，植入式神经电极向着柔性化、小型化、高精度及高密度化的趋势发展，现阶段高密度多通道的植入式神经电极通常是通过MEMS技术来实现加工制造，对于其密集且排列整齐规则的导线及触点而言，利用掩膜版进行光刻是一种相对成熟且几乎被默认的加工方式。光刻技术需要较高精度的掩膜版，然而掩膜版的制作需要复杂的电子束刻蚀，加工过程较慢，不利于电极的个性化设计及短周期迭代。此外，光刻还需要将保留部分的光刻胶去除，通常利用有机溶剂湿法去胶或通过等离子体处理干法去胶。光刻虽然可以高精度加工出电子线路的图形，但是其步骤却是漫长且复杂的，此外其应用场景不仅限于二维平面，由于掩膜版加工及使用的限制，光刻很难应用于三维衬底并在其进行图案印刷。CN108853717A公开了一种柔性神经电极，所述柔性神经电极包括柔性衬底、柔性绝缘层以及位于柔性衬底和柔性绝缘层之间的导电层和磁性材料层；其中，导电层包括至少一条导电线，导电线包括互连导线以及分别位于互连导线两端的记录位点和焊点；磁性材料层包括多个磁性材料部，磁性材料部与第一部分互连导线一一对应；柔性绝缘层上形成有至少一个通孔，通孔与记录位点一一对应，通孔贯穿柔性绝缘层露出对应记录位点。然而，该方案存在的问题是，由于采用了金属导线与贵金属触点组装而成，触点通常为嵌套在绝缘封装表面的金属环，但是在复杂的光刻技术中仍需要使用平面掩膜版，且平面电极通过卷曲组装形成制成的电极稳定性不够强。因此，如何通过简易设备制造出精度高、稳定性强的电极，成为亟待解决的技术问题。
技术实现思路
为解决前述缺陷，本专利技术提供一种分层制造的可植入式柔性神经电极，所述神经电极为一端封口、另一端开口、并且类似于试管状的柔性中空圆柱结构，所述神经电极的管壁部分由内到外依次包括绝缘基底层、金属图案导电层、封装绝缘层、若干连接触点以及若干电极触点；其中，所述连接触点，位于所述神经电极的开口端并与所述金属图案导电层的上部端点接触连通；所述电极触点，位于所述封装绝缘层表面、并与位于所述金属图案层的图案分支部分的下部端点部分的焊盘接触连通。进一步地，所述电极触点是由所述封装绝缘层经过热解反应而生成的导电热解产物。进一步地，所述金属图案导电层的制作过程中，需要使用三维掩膜板，掩膜板的制造过程中，需要在所述神经电极的中空部分插入辅助金属棒。进一步地，所述绝缘基底层，外直径为100μm-2mm，内部直径为50μm-1.5mm。进一步地，根据设计电极的尺寸的需要，选择相应的绝缘基底层的材料，所述绝缘基底层的材料符合生物相容性的要求，且具有较好的绝缘性，具有较好的柔韧性。优选地，所述绝缘基底层的材料为硅橡胶、派拉伦(Parylene，特别优选的是用ParyleneC)、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)、聚氨酯(TPU)、聚酰亚胺(PI)、聚氨酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。进一步地，所述金属图案导电层，金属层的厚度为10nm-1μm。优选地，所述金属图案导电层，是一层覆盖在所述绝缘基底层上的三维金属图案层。更优选地，所述金属图案导电层是通过气相沉积法，按照设计好的三维图案将金属沉积到所述绝缘基底层的外表面。在一个优选的实施方式中，所述金属图案导电层是由若干金属细线组成，其中，所述金属细线靠近所述神经电极的封口端的尾部设置有焊盘，所述焊盘与所述电极触点相连接，所述金属细线靠近所述神经电极的开口端与所述连接触点相连接。在一个优选的实施方式中，所述金属细线的宽度为10nm-1mm、所述焊盘的直径为1μm-1mm、所述连接触点的大小为(1μm-1mm)×(1μm-1mm)(更优选地，所述连接触点垂直于长度方向的剖面为方形)。每一条所述金属细线的两端分别与所述焊盘和所述连接触点相连，从而组成一个通道，每个通道之间互不相连。金属细丝的工作原理为：所述焊盘，用于承接所述电极触点(所述电极触点由封闭绝缘层材料热解而成)；所述连接触点，用于使每个由所述金属细丝形成的通道分别通过各自的所述连接触点与延长导线或电子器械相连，传输脉冲信号。进一步地，所述焊盘、所述金属细线均被所述封装绝缘层封装包裹住，仅保留所述连接触点裸露在外，作为脉冲信号传输的端口。进一步地，所述封装绝缘层，是一层能够发生热解反应的聚合物薄膜，覆盖在所述神经电极的外表面，其内部包裹着所述金属图案导电层和所述绝缘基底层。在一个优选的实施方式中，所述封装绝缘层，由高分子聚合物制成，包括但不限于派拉伦(Parylene，较为优选地是使用ParyleneC)、聚酰亚胺(PI)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等材质。所述封装绝缘层，发生热解后，生成结构疏松的多孔石墨烯材料。同时，所述封装绝缘层由于位于所述神经电极的外表面，所以又称作外绝缘层。进一步地，所述电极触点，为导电物质，所述导电物质由位于所述焊盘区域表面的所述封装绝缘层发生热解反应而生成，并且穿透所述封装绝缘层与所述焊盘相连。即，在进行工作时，每一个金属细丝形成的通道、所述电极触点与这个通道的连接触点导电连通，且各个通道之间互不相连。本专利技术还提供一种前述神经电极的制备方法，包括：1)根据设计电极的尺寸需要，取尺寸适合的辅助金属棒M1，将掩膜版胚料嵌套在所述辅助金属棒M1外，利用激光按照设计的电极需要的所述金属图案导电层的图案在所述掩膜版胚料表面切割出一条或多条的镂刻槽，所述镂刻槽的两端分别切割按照设计需要预留的焊盘形状的镂刻槽及连接触点的形状的镂刻；2)将加工完成的所述掩膜版胚料从所述辅助金属棒M1上取下，并对其进行清洁处理，镂刻槽边缘的杂质及切割烧蚀残留物，使镂刻槽边缘光滑且无杂质附着，使镂刻槽连续、通透，形成加工好的掩膜版；3)将所述加工好的掩膜版嵌套装配到一端封口、另一端开口、并且类似于试管状的柔性中空圆柱结构的所述绝缘基底层外表面，然后，将尺寸适合的另一只辅助金属本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种分层制造的可植入式柔性神经电极，其特征在于，所述神经电极为一端封口、另一端开口、并且类似于试管状的柔性中空圆柱结构，所述神经电极的管壁部分由内到外依次包括绝缘基底层、金属图案导电层、封装绝缘层、若干连接触点以及若干电极触点；/n其中，所述连接触点，位于所述神经电极的开口端并与所述金属图案导电层的上部端点接触连通；所述电极触点，位于所述封装绝缘层表面、并与位于所述金属图案层的图案分支部分的下部端点部分的焊盘接触连通。/n

【技术特征摘要】
1.一种分层制造的可植入式柔性神经电极，其特征在于，所述神经电极为一端封口、另一端开口、并且类似于试管状的柔性中空圆柱结构，所述神经电极的管壁部分由内到外依次包括绝缘基底层、金属图案导电层、封装绝缘层、若干连接触点以及若干电极触点；
其中，所述连接触点，位于所述神经电极的开口端并与所述金属图案导电层的上部端点接触连通；所述电极触点，位于所述封装绝缘层表面、并与位于所述金属图案层的图案分支部分的下部端点部分的焊盘接触连通。


2.根据权利要求1所述的神经电极，其特征在于，所述电极触点是由所述封装绝缘层经过热解反应而生成的导电热解产物。


3.根据权利要求1所述的神经电极，其特征在于，所述金属图案导电层的制作过程中，需要使用三维掩膜板，掩膜板的制造过程中，需要在所述神经电极的中空部分插入辅助金属棒。


4.根据权利要求1所述的神经电极，其特征在于，所述绝缘基底层，外直径为100μm-2mm，内部直径为50μm-1.5mm。


5.根据权利要求1所述的神经电极，其特征在于，根据设计电极的尺寸的需要，选择相应的绝缘基底层的材料，所述绝缘基底层的材料符合生物相容性的要求，且具有较好的绝缘性，具有较好的柔韧性。


6.根据权利要求1所述的神经电极，其特征在于，所述金属图案导电层，金属层的厚度为10nm-1μm。


7.根据权利要求1所述的神经电极，其特征在于，所述焊盘、所述金属细线均被所述封装绝缘层封装包裹住，仅保留所述连接触点裸露在外，作为脉冲信号传输的端口。


8.根据权利要求1所述的神经电极，其特征在于，所述封装绝缘层，是一层能够发生热解反应的聚合物薄膜，覆盖在所述神经电极的外表面，其内部包裹着所述金属图案导电层和所述绝缘基底层。


9.根据权利要求1所述的神经电极，其特征在于，所述电极触点，为导电物质，所述导电物质由位于所述焊盘区域表面的所述封装绝缘层发生热解反应而生成，并且穿透所述封装绝缘层与所述焊盘相连。


10.一种权利要求1-9任一项所述的神经电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据设计电极的尺寸需要，取尺寸适合的辅助金属棒A，将掩膜版胚料嵌套在所述辅助金属棒A外，利用激光按照设计的电极需要的所述金属图案导电层的图案在所述掩膜版胚料表面切割出一条或多条的镂刻槽，所述镂刻槽的两端分别切割按照设计需要预留的焊盘形状的镂刻槽及连接触点的形状的镂刻；
2)将加工完成的所述掩膜版胚料从所述辅助金属棒A上取下，并对其进行清洁处理，镂刻槽边缘的杂质及切割烧蚀残留物，使镂刻...

【专利技术属性】
技术研发人员：王瀚晨，李霖泽，姜长青，胡春华，李路明，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11