柔性电极及其制造方法技术

本文公开的新型柔性电极利用静电纺丝纳米纤维垫的低弯曲刚度来实现手术植入和与外周神经持续双向通信所需的材料特性，而不会危及电子功能。根据本文公开的某些实施例，提供了可植入神经电极探针，其包括具有近端和远端的聚合基片、在基片近端的电极接口；至少一个位于基片远端的神经触点；以及形成在纤维基片上的导电迹线，提供至少一个神经触点和电极接口之间的电通信，其中基片包含聚合纳米纤维的无纺布块。无纺布块。无纺布块。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】柔性电极及其制造方法
相关申请的交叉引用
[0001]本申请基于并要求于2019年3月6日(Atty.Dkt.4271
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0355)提交的美国临时申请序列号62/814,385的优先权，其全部内容通过引用明确并入本文。政府权利
[0002]本专利技术是根据以下政府授予的合同在政府支持下完成的：DARPA D16PC00095和DARPA D17PC00125。政府对本专利技术享有一定的权利。


[0003]本文公开的实施例通常涉及在电子应用中采用的先进的基于纳米纤维的材料系统。根据某些实施方案，基于纳米纤维的材料系统特别有用地用作各种应用中的电极，例如生物医学应用，由于它们增强的柔韧性，其与使用电极的周围组织紧密匹配。

技术介绍

[0004]柔性电极可应用于各种领域，例如生物工程(可植入传感器、脊柱植入物、神经接口)、可穿戴传感器、加热元件等。提供图案化电极的能力对于这些功能至关重要，但保持灵活性特别困难。使用灵活的电子接口进行神经连接自始至终都被用作主要示例。举例来说，在过去十年间神经接口技术的发展取得了普遍的突破。这些进步包括由神经接口电极控制的最先进假肢，以及使用这些接口假肢实现敏化。总之，这些进步有可能通过用先进的假肢代替失去的肢体来提高截肢者的生活质量。然而，随着这些技术的潜力不断发展，它们的临床应用受到目前电极长期稳定性和精度缺乏的限制。
[0005]现有神经接口技术的两个主要限制性并发症是组织损伤和设备随时间推移的机械故障。即使是最先进的技术，如横向束内多通道电极(TIME)和犹他州倾斜电极阵列(USEA)，在插入过程中对周围组织施加高机械应变，导致疤痕、出血和神经组织损伤。这主要是由于植入的电极与其被植入的组织之间的机械性能显著不匹配。例如，周围神经系统(PNS)中的组织的弹性模量在0.5
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1.0MPa范围内，而铂和硅(标准电极接口材料)的弹性模量分别为168,000和180,000Mpa。弹性模量和其他机械性能的这种5
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6个数量级的差异导致了各种植入和长期使用问题，例如组织损伤、手术附着困难和使用过程中的相对运动。对性能最关键的是，它还导致神经胶质瘢痕(或封装)现象，由此机械损伤、细胞死亡和炎症反应导致接口的神经胶质细胞封装。这禁止与神经的电接触，消除接口功能。解决对可以长期放置和使用以减少并发症的神经接口技术的需求将需要具有与天然组织更紧密匹配的机械性能的电极材料。然而，这些材料必须同时具备神经穿透和放置所需的机械性能，以及与现有电生理设备一起使用的导电性和接口布置。
[0006]需要电极灵活性的神经接口设计和其他设备的共同问题是每个系统上存在的材料限制。周围神经在正常人体运动过程中可承受高达10％的应变，这是许多当前使用的电极在不对周围脆弱的神经组织施加显著压力的情况下无法承受的变形水平。神经和植入物之间的材料特性不匹配经常导致电极和神经纤维之间的封装和疤痕，这显著降低了电极的
信噪比和由此产生的灵敏度。生物或软化材料的应用提供了与天然组织特性更好的匹配，但电极通常仍包含不会软化并保留材料不匹配问题的线传导元件。可移动或可溶解的载体系统通常会留下空隙，以填充疤痕组织，或者可能降解为导致肿胀、神经冲击、炎症和电极封装的副产物。生物相容性聚合物，如聚酰亚胺、硅树脂或聚四氟乙烯，在更柔软的绝缘层方面显示出巨大的前景，但是用于导电触点的材料(例如铂、铱、或金)的刚度值通常比神经组织的刚度值(600kPa)大几个数量级。可穿戴传感器也存在类似的弯曲问题，这些传感器可以集成到纺织品中或在皮肤上工作，通常预计弯曲应变会超过10％。
[0007]无法将神经接口设备的材料特性与天然组织正确匹配，这限制了新开发的神经接口技术的实施。因此，如果能够提供更恰当地匹配天然组织的物理属性的神经接口装置，将是非常可取的。同样，柔性电极材料系统也可以用于可穿戴传感器和相关设备。本文公开的实施例旨在提供这样的解决方案。

技术实现思路

[0008]为了解决与当前存在的天然组织有关的弹性模量的五到六个数量级差异，本文公开的实施例提供了独特的基于纳米纤维的材料接口系统。本文公开的新型材料系统利用静电纺丝纳米纤维垫的低弯曲刚度来实现手术植入和与人体组织(特别是外周神经)持续双向通信所需的材料特性，而不会危及电子功能。根据某些实施例，本文公开的新型材料技术在体现为横向束内多通道电极(TIME)系统时特别有用，但也可适用于其他未来的神经接口技术。类似的系统，其中独特的电图案纳米纤维基片提供类似软组织的机械性能，也可能用于其他手术植入产品或可穿戴传感器和加热元件。
[0009]本文公开的实施例的独特方面包括：
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基于纳米纤维的绝缘和支撑层提供高样品柔韧性，同时保持足够的强度，使装置易于植入和手术拴住。
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纳米纤维金属基或聚合物基导电层可减少模量失配，并在长期植入过程中提供稳定的机械、电气和化学特性。
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基于材料的电极设计不是“装置特有的”，因此可作为多种神经接口和灵活电子应用的支持平台。
[0010]如上所述，所公开的实施例的神经接口材料系统对于TIME神经接口设计的应用特别有用，但是所公开的实施例可以在多个神经接口和生物应用中应用。本文公开的新型材料系统具有固有的柔韧性，但具有体内处理和插入所需的拉伸强度，例如可以在颅电极植入物、肌肉/肌肉骨骼电极和可穿戴表面电极中找到其它潜在应用。因此，本文公开的新型材料系统的灵活性可能能够提供体内神经和外部电子装置之间的双向通信。
[0011]根据本文公开的某些实施例，提供了柔性电极，其包括包含大量聚合纳米纤维的纤维基片，以及形成在所述纤维基片上的导电迹线，所述导电迹线提供所述电极的至少一个触点与电极接口之间的电通信。所述纤维基片可表现出约50MPa至约5GPA的柔韧性并且由聚合纳米纤维形成，聚合纳米纤维可以由选自尼龙、聚己酸内酯、醋酸纤维素、聚(甲基
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丙烯酸甲酯)、乙烯乙烯醇和聚酰亚胺)的塑料材料形成。优选的是尼龙
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6(nylon
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6)和尼龙
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6,12纳米纤维。
[0012]稳定套囊可附着在所述纤维基片近端部分。为了进一步增强稳定性，由高强度聚
合物(例如超高密度聚乙烯或聚芳酰胺)形成的支撑纤维可以轴向连接到所述基片上。
[0013]根据某些实施例，所述基片可包括纳米纤维层，该纳米纤维层包括聚合纳米纤维和绝缘层，例如，对二甲苯聚合物或聚二甲基硅氧烷。
[0014]所述纤维基片可包含导电聚合物组分，例如，聚(3,4
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乙烯二氧噻吩)聚苯乙烯硫酸盐和气相聚合的聚(3,4
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乙烯二氧噻吩)(3,4
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ethylenedioxythiophene)金属涂层(例如金)沉积在所述纳米纤维基片上，和/或由聚己酸内酯、醋酸纤维素、聚(甲基
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丙烯酸甲酯)和乙烯乙烯醇形成的纳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种柔性电极，包括：由聚合纳米纤维的无纺布块组成的纤维基片，所述基片具有至少一个触点和电极接口，和形成在所述纤维基片上的导电迹线，所述导电迹线提供所述至少一个触点和所述电极接口之间的电通信。2.根据权利要求1所述的柔性电极，其中所述纤维基片表现出介于约50MPa至约5GPa之间的弹性模量。3.根据权利要求1所述的柔性电极，其中所述聚合纳米纤维由选自尼龙、聚己酸内酯、醋酸纤维素、聚甲基丙烯酸甲酯、乙烯乙烯醇和聚酰亚胺的塑料材料形成。4.根据权利要求3所述的柔性电极，其中所述聚合纳米纤维由尼龙
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6和/或尼龙
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6,12形成。5.根据权利要求1所述的柔性电极，进一步包括附着在所述纤维基片近端部分的稳定套囊。6.根据权利要求1所述的柔性电极，进一步包括轴向附着在所述纤维基片上的支撑纤维。7.根据权利要求6所述的柔性电极，其中所述支撑纤维由高强度聚合材料形成。8.根据权利要求7所述的柔性电极，其中所述高强度聚合材料包括高密度聚乙烯或聚芳酰胺。9.根据权利要求2所述的柔性电极，其中所述基片包括包含聚合纳米纤维的纳米纤维层和绝缘层。10.根据权利要求9所述的柔性电极，其中所述绝缘层包括对二甲苯聚合物或聚二甲基硅氧烷。11.根据权利要求1所述的柔性电极，其中所述基片包含导电聚合物或金属组分。12.根据权利要求11所述的柔性电极，其中所...

【专利技术属性】
技术研发人员：劳伦，
申请(专利权)人：月神创新公司，
类型：发明
国别省市：