具有电化学和电生理检测功能的柔性脑电极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有电化学和电生理检测功能的柔性脑电极及其制备方法，所述具有电化学和电生理检测功能的柔性脑电极，包括依次设置的第一电极、第一蚕丝蛋白层、金属布线层、第二蚕丝蛋白层、第二电极和第三蚕丝蛋白层；第一电极用于电生理检测，第二电极用于电化学检测，第一电极和第二电极分别位于柔性脑电极的两个相对表面上；金属布线层设置于第一电极和第二电极之间，第一蚕丝蛋白层设于金属布线层与第一电极之间，第二蚕丝蛋白层设于金属布线层与第二电极之间，第三蚕丝蛋白层位于第二蚕丝蛋白层上。本发明专利技术的柔性脑电极，能够实现“超柔性、高分辨、高集成度、可长期在体”的神经电生理/神经递质电化学同步记录。

【技术实现步骤摘要】
具有电化学和电生理检测功能的柔性脑电极及其制备方法
本专利技术涉及脑功能探测
，尤其涉及一种具有电化学和电生理检测功能的柔性脑电极及其制备方法。
技术介绍
脑机接口是一种涉及神经科学、信号检测和信号处理等多学科的交叉技术，在生物医学、神经康复和智能机器人等领域具有重要的研究意义和巨大的应用潜力。它通过在人脑与计算机或其它电子设备之间建立直接的交流和控制通道，从大脑皮层采集脑电信号经过放大、滤波、A/D转换等处理转换为可以被计算机识别的信号，然后对信号进行预处理，提取特征信号，再利用这些特征进行模式识别，最后转化为控制外部设备的具体指令，实现对外部设备的控制。神经电生理监测对于脑科学研究和脑疾病诊断具有不可替代的作用，高质量的神经电生理信号采集技术是中国脑科学基础研究和脑疾病临床研究的顺利开展的基础。对神经电生理信号采集的方法主要依靠脑机接口完成，依据信息采集的方式，其通常被分为非侵入式、半侵入式和侵入式。目前应用比较广泛的可植入神经电生理检测电极有犹他电极和密歇根电极。犹他电极的长度、数目、大小均可根据实际需求定制，具有高密度，高通量，小尺寸等特点，它可以同时采集数十个甚至上百个神经元的放电情况，从而可以满足大部分神经电生理实验的需求。密歇根电极的特点是在一个电极针体上有多个记录位点，形成的高密度电极阵列可同时记录大量脑电信号，对相邻的多个神经元间信号的测量具有重要意义。神经递质电化学信号的在体检测主要依靠电化学微传感器。基于电化学反应的原理，通过在微电极和介质之间施加一个微小线性变化的电势，并记录由此产生的电流-电势曲线，可获得介质的性质和浓度特征。然而现有技术中的植入式脑机接口仍有一些不足：1)现有的多数脑机接口功能比较单一，如只能测量神经电生理信号，而对其它重要的神经化学物质浓度等不能同步实时监测；2)非电活性神经递质电化学检测需要使用酶(如谷氨酸氧化酶、乙酰胆碱酯酶等)，酶存在不稳定性、活性的降解等问题，同时需要复杂的固定化方案，而这正是限制用于检测电化学信号的神经电极植入在体时间的重要因素。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有电化学和电生理检测功能的柔性脑电极及其制备方法，用以克服上述
技术介绍
中的技术问题。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术一方面提供一种具有电化学和电生理检测功能的柔性脑电极，包括依次设置的第一电极、第一蚕丝蛋白层、金属布线层、第二蚕丝蛋白层、第二电极和第三蚕丝蛋白层；所述第一电极用于电生理检测，所述第二电极用于电化学检测，所述第一电极位于所述柔性脑电极的第一表面上，所述第二电极位于所述柔性脑电极与所述第一表面相对的第二表面上；所述金属布线层设置于所述第一电极和所述第二电极之间；所述第一蚕丝蛋白层设于所述金属布线层与所述第一电极之间，所述第二蚕丝蛋白层设于所述金属布线层与所述第二电极之间，所述第三蚕丝蛋白层位于所述第二蚕丝蛋白层上。进一步地，所述第一电极与所述第二电极在所述柔性脑电极的垂直方向上交错排布。进一步地，所述第一电极和所述第二电极均采用厚度为10nm/100nm铬/金合金或厚度为100～200nm的金属铂。进一步地，所述第一蚕丝蛋白层的厚度为250～350nm，所述第二蚕丝蛋白层的厚度为200～250nm，所述第三蚕丝蛋白层的厚度为200～300nm。进一步地，所述金属布线层采用厚度为10nm/100nm铬/金合金。本专利技术另一方面提供一种上述的具有电化学和电生理检测功能的柔性脑电极的制备方法，包括以下步骤：提供一硅衬底，在所述硅衬底的表面形成牺牲层；在所述牺牲层上形成第一电极，所述第一电极用于电生理检测；在所述第一电极上形成第一蚕丝蛋白层；在所述第一蚕丝蛋白层上形成金属布线层；在所述金属布线层上形成第二蚕丝蛋白层；在所述第二蚕丝蛋白层上形成第二电极，所述第二电极用于电化学检测；在所述第二电极上形成第三蚕丝蛋白层，形成封装层；除去所述牺牲层，将电极从所述硅衬底释放，得到具有电化学和电生理检测功能的柔性脑电极。进一步地，在除去所述牺牲层，将电极从所述硅衬底释放，得到具有电化学和电生理检测功能的柔性脑电极的步骤中，通过采用金属腐蚀液腐蚀的方式除去所述牺牲层；在提供一硅衬底，在所述硅衬底的表面形成牺牲层的步骤中，所述牺牲层采用能够在所述金属腐蚀液中腐蚀的材料。进一步地，形成所述第一电极和所述第二电极的方法具体包括：通过光刻技术形成光刻胶图形，沉积电极材料层，再剥离光刻胶。进一步地，所述第一蚕丝蛋白层、所述第二蚕丝蛋白层和所述第三蚕丝蛋白层均通过旋涂的方式形成。进一步地，在所述第一蚕丝蛋白层上形成金属布线层，具体包括：在所述第一蚕丝蛋白层表面旋涂一层光刻胶层；通过光刻将所述光刻胶层图形化，得到图形化的光刻胶层；在所述图形化的光刻胶层上沉积金属层；剥离所述图形化的光刻胶层，得到形成于所述第一蚕丝蛋白层上的金属布线层。实施本专利技术，具有如下有益效果：1.通过使用具有极佳生物相容性和绝佳机械性能的蚕丝蛋白作为器件的基底和封装的主要材料，集成后的柔性电极每一根厚度不到1μm，可大幅改善植入器件对脑组织的机械顺应性，从而减少植入后器件长期在体所引发的神经炎症；2.通过将神经元放电检测的电生理微电极阵列和用于神经递质检测的电化学微电极阵列分别制作在同一个蚕丝蛋白柔性基底的正反两面上，并采用正反双面独立布线，能够大幅提高器件集成度，并减少使用时的信号干扰；3.通过将神经元放电检测的电生理微电极阵列和用于神经递质检测的电化学微电极阵列集成制作在蚕丝蛋白柔性基底上，可实现同一脑区神经电生理和神经递质双模检测，能够从结构-环路-功能三个层面精准解析神经系统工作机理。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。图1是本专利技术实施例的具有电化学和电生理检测功能的柔性脑电极的结构示意图；图2是本专利技术实施例的柔性脑电极的制备方法流程图；图3是本专利技术实施例的柔性脑电极的制备方法中步骤S1中硅衬底的结构示意图；图4是本专利技术实施例的柔性脑电极的制备方法中步骤S1对应的结构示意图；图5是本专利技术实施例的柔性脑电极的制备方法中步骤S2对应的结构示意图；图6是本专利技术实施例的柔性脑电极的制备方法中步骤S3对应的结构示意图；图7是本专利技术实施例的柔性脑电极的制备方法中步骤S4对应的结构示意图；图8是本专利技术实施例的柔性脑电极的制备方法中步骤S5对应的结构示意图；图9是本专利技术实施例的柔性脑电极的制备方法中步骤S6对应的结构示意图；图10是本专利技术实施例的柔性脑电极的制备方法中步骤S7对应的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有电化学和电生理检测功能的柔性脑电极，其特征在于，包括依次设置的第一电极(3)、第一蚕丝蛋白层(4)、金属布线层(5)、第二蚕丝蛋白层(6)、第二电极(7)和第三蚕丝蛋白层(8)；/n所述第一电极(3)用于电生理检测，所述第二电极(7)用于电化学检测，所述第一电极(3)位于所述柔性脑电极的第一表面上，所述第二电极(7)位于所述柔性脑电极与所述第一表面相对的第二表面上；所述金属布线层(5)设置于所述第一电极(3)和所述第二电极(7)之间；/n所述第一蚕丝蛋白层(4)设于所述金属布线层(5)与所述第一电极(3)之间，所述第二蚕丝蛋白层(6)设于所述金属布线层(5)与所述第二电极(7)之间，所述第三蚕丝蛋白层(8)位于所述第二蚕丝蛋白层(6)上。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有电化学和电生理检测功能的柔性脑电极，其特征在于，包括依次设置的第一电极(3)、第一蚕丝蛋白层(4)、金属布线层(5)、第二蚕丝蛋白层(6)、第二电极(7)和第三蚕丝蛋白层(8)；
所述第一电极(3)用于电生理检测，所述第二电极(7)用于电化学检测，所述第一电极(3)位于所述柔性脑电极的第一表面上，所述第二电极(7)位于所述柔性脑电极与所述第一表面相对的第二表面上；所述金属布线层(5)设置于所述第一电极(3)和所述第二电极(7)之间；
所述第一蚕丝蛋白层(4)设于所述金属布线层(5)与所述第一电极(3)之间，所述第二蚕丝蛋白层(6)设于所述金属布线层(5)与所述第二电极(7)之间，所述第三蚕丝蛋白层(8)位于所述第二蚕丝蛋白层(6)上。


2.根据权利要求1所述的具有电化学和电生理检测功能的柔性脑电极，其特征在于，所述第一电极(3)与所述第二电极(7)在所述柔性脑电极的垂直方向上交错排布。


3.根据权利要求1所述的具有电化学和电生理检测功能的柔性脑电极，其特征在于，所述第一电极(3)和所述第二电极(7)均采用厚度为10nm/100nm铬/金合金或厚度为100～200nm的金属铂。


4.根据权利要求1所述的具有电化学和电生理检测功能的柔性脑电极，其特征在于，所述第一蚕丝蛋白层(4)的厚度为250～350nm，所述第二蚕丝蛋白层(6)的厚度为200～250nm，所述第三蚕丝蛋白层(8)的厚度为200～300nm。


5.根据权利要求1所述的具有电化学和电生理检测功能的柔性脑电极，其特征在于，所述金属布线层(5)采用厚度为10nm/100nm铬/金合金。


6.一种如权利要求1-5任一项所述的具有电化学和电生理检测功能的柔性脑电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一硅衬底(1)，在所述硅衬底(1)的表面形成牺牲层(2)；
在所述牺牲层(2)上形成第一电极(3...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶虎，王馨儿，周志涛，魏晓玲，王雪迎，杨会然，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31