一种面向神经调控的薄膜光电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种面向神经调控的薄膜光电极及其制备方法和应用。所述薄膜光电极为单晶硅薄膜，且所述单晶硅薄膜上含有掺杂剂。该薄膜光电极在生物组织环境中可以降解，且降解元素具有良好的生物相容性。在光照条件下，该薄膜光电极可以调控培养在其上的细胞的去极化和超级化膜电位，以及调控细胞钙信号的上升和下降；同时将所述薄膜光电极贴合在神经组织表面可以引起兴奋性或抑制性的神经活动。因此本发明专利技术的薄膜光电极能够较高地应用在神经调控中。中。中。

【技术实现步骤摘要】
一种面向神经调控的薄膜光电极及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于神经调控
，具体涉及一种面向神经调控的薄膜光电极及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]电刺激在生物基础研究、神经科学、疾病治疗中发挥重要的作用。对于细胞水平的神经调控，电诱导装置通常涉及有源的电子电路布局，缺乏一定的时空分辨率。对于活体水平的神经调控，传统的非植入式电子设备(比如：经颅电刺激、磁刺激、超声刺激等)试图从体外用电场、磁场、超声等物理方式远程干预神经活体，其空间分辨率受到严重的制约，难以对特定区域、特定神经核团进行精准调控。此外，可植入式电子产品可以较好地靠近刺激靶点，提高刺激功效。但是，这类植入式电子产品通常涉及笨重的电源电路结构或需要外接电源供给，比如：迷走神经刺激器、脊髓刺激器等。这些电源电路的空间占据和贯穿组织的电线会引起不良的炎症反应。另外，不可降解的植入式电刺激装置在完成任务后不可避免地需要二次手术将其取出，具有潜在的二次感染和组织损伤风险。最后，有两种无线能量传输方式。第一种是超声转换电刺激，这类方式需要超声发射源与组织表面接触，转换效率受不同组织的构成影响较大；第二种是射频转换电刺激，转换效率受线圈耦合角度影响较大。
[0003]因此，迫切需要一种新的神经调控方式，实时地、精确地调控神经的兴奋和抑制取向。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有技术的不足，提供了一种面向神经调控的薄膜光电极，该薄膜光电极在生物组织环境中可以降解，且降解元素具有良好的生物相容性。在光照条件下，该薄膜光电极可以调控培养在其上的细胞的去极化和超级化膜电位，以及调控细胞钙信号的上升和下降；同时将所述薄膜光电极贴合在神经组织表面可以引起兴奋性或抑制性的神经活动。
[0005]为此，本专利技术第一方面提供了一种面向神经调控的薄膜光电极，其为单晶硅薄膜，且所述单晶硅薄膜上含有掺杂剂。
[0006]在本专利技术的一些实施方式中，所述掺杂剂为磷和硼中的任意一种；优选地，所述掺杂剂的掺杂量为(1～5)
×
10
14
ions/cm2。
[0007]在本专利技术的另一些实施方式中，所述单晶硅薄膜的厚度为2～5μm；和/或电阻率为1～10Ω
·
cm。
[0008]本专利技术第二方面提供了一种制备如本专利技术第一方面所述的薄膜光电极的方法，其包括如下步骤：
[0009]S1，在绝缘顶上硅晶片的单晶硅层中掺入掺杂剂，退火后，获得掺杂的单晶硅薄膜；
[0010]S2，对所述掺杂的单晶硅薄膜进行刻蚀，获得所需形状的图形化的掺杂的单晶硅
薄膜；
[0011]S3，采用氢氟酸去除氧化物层，释放出所述图形化的掺杂的单晶硅薄膜，即为所述的薄膜光电极。
[0012]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S1中，通过离子注入在所述单晶硅层中掺入掺杂剂。
[0013]在本专利技术的另一些实施方式中，步骤S1中，所述退火的温度为900～950℃，退火的时间为20～30分钟。
[0014]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S2中，所述刻蚀通过光刻和反应离子刻蚀工艺进行。
[0015]本专利技术第三方面提供了一种集成薄膜光电极，其包括如本专利技术第一方面所述的薄膜光电极或第二方面所述方法制备的薄膜光电极，以及衬底。
[0016]在本专利技术的一些实施方式中，所述衬底为柔性衬底或硬质衬底。
[0017]在本专利技术的另一些实施方式中，所述衬底的材料为可降解的有机材料。
[0018]本专利技术第四方面提供了一种制备如本专利技术第三方面所述集成薄膜光电极的方法，其包括将所述薄膜光电极转移到涂敷胶层的目标衬底上，进而获得所述集成薄膜光电极。
[0019]在本专利技术的一些实施方式中，利用聚二甲基硅氧烷印章对所述薄膜光电极进行转移。
[0020]本专利技术第五方面提供了一种如本专利技术第一方面所述的薄膜光电极、或者第二方面所述方法制备的薄膜光电极、或者第三方面所述集成薄膜光电极、或者第四方面所述方法制备的集成薄膜光电极在神经调控中的应用。
[0021]本专利技术的有益效果为：本专利技术提供的面向神经调控的薄膜光电极具有如下优点：(1)所述薄膜光电极在生物组织环境中可以降解，且降解元素具有良好的生物相容性；(2)在光照条件下，所述薄膜光电极与溶液的接触面可被激发光致正方向或负方向的电场，相应地吸引溶液中的阳离子或阴离子；(3)在光照条件下，所述薄膜光电极可以调控培养在薄膜上细胞的去极化和超级化膜电位，以及调控细胞钙信号的上升和下降；(4)将所述薄膜光电极贴合在神经组织表面可以引起兴奋性或抑制性的神经活动。
附图说明
[0022]下面将结合附图对本专利技术作进一步说明。
[0023]图1为本专利技术所述集成薄膜光电极的实物图；其中图1
‑
1为圆形薄膜光电极与柔性衬底结合，图1
‑
2为圆形薄膜光电极与硬性衬底结合，图1
‑
3为网格形状的薄膜光电极与硬质衬底结合。
[0024]图2为制备本专利技术所述集成薄膜光电极的流程图。
[0025]图3为薄膜光电极的培养的离体细胞光电刺激的示意图。
[0026]图4为薄膜光电极贴合在神经束上刺激的示意图。
[0027]图5为薄膜光电极贴合在小鼠大脑皮层上刺激的实物图。
具体实施方式
[0028]下面将对本专利技术进行详细说明。
[0029]如前所述，现有的基于电刺激的神经调控存在如下缺点：(1)有源电子电路的细胞电诱导缺乏一定的时空分辨率；(2)非侵入式神经在体刺激缺乏较高的空间分辨率；(3)笨重的、坚硬的植入式电极，以及带连接线的电源及其电路系统缺乏良好的在体生物相容性；(4)不可生物降解的电刺激装置存在二次手术所带来的风险；(5)超声和射频等无线神经调控方式存在原理上不足。本申请的专利技术人通过研究获得了一种新的面向神经调控的薄膜光电极，所述薄膜光电极为具有可降解特性和良好的生物相容性的掺杂的单晶硅薄膜，因此其在生物组织环境中可以降解，且降解元素具有良好的生物相容性；同时所述薄膜光电极能够产生光诱导的正/负电场，实现光诱发细胞的去极化和超极化，并调节细胞内的钙活动；此外，所述模板光电极还能在体内引起兴奋性或抑制性的神经活动。
[0030]因此，本专利技术第一方面所涉及的面向神经调控的薄膜光电极，其为单晶硅薄膜，且所述单晶硅薄膜上含有掺杂剂。
[0031]本专利技术中的单晶硅薄膜具有生物可降解特性和良好的生物相容性。同时通过在单晶硅薄膜上掺入掺杂剂能够提高薄膜光电极的光电转换效率。
[0032]在本专利技术的一些实施方式中，所述掺杂剂为磷和硼中的任意一种。
[0033]本专利技术中，当所述掺杂剂为磷时，所述单晶硅为p型；且掺杂剂的掺杂量为(1～5)
×
10
14
ions/cm2，优选为4
×
10
14
ions/cm2；掺杂能量为75KeV。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向神经调控的薄膜光电极，其为单晶硅薄膜，且所述单晶硅薄膜上含有掺杂剂。2.根据权利要求1所述的薄膜光电极，其特征在于，所述掺杂剂为磷和硼中的任意一种；优选地，所述掺杂剂的掺杂量为(1～5)
×
10
14
ions/cm2。3.根据权利要求1或2所述的薄膜光电极，其特征在于，所述单晶硅薄膜的厚度为2～5μm；和/或电阻率为1～10Ω
·
cm。4.一种制备如权利要求1
‑
3中任意一项所述的薄膜光电极的方法，其包括如下步骤：S1，在绝缘顶上硅晶片的单晶硅层中掺入掺杂剂，退火后，获得掺杂的单晶硅薄膜；S2，对所述掺杂的单晶硅薄膜进行刻蚀，获得所需形状的图形化的掺杂的单晶硅薄膜；S3，采用氢氟酸去除氧化物层，释放出所述图形化的掺杂的单晶硅薄膜，即为所述的薄膜光电极。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S1中，通过离子注入在所述单晶硅层中掺入掺杂剂；和/或所述退火的温度为900～950...

【专利技术属性】
技术研发人员：盛兴，黄云翔，付昕，王华春，尹斓，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：