【技术实现步骤摘要】
本公开涉及神经生物学、微纳制造技术和生物电子学等领域，特别是涉及一种用于实现单细胞电互连的微流控神经芯片、制备方法及检验方法。
技术介绍
1、生物神经网络是一个非常复杂的系统，它由神经元和突触等基本单元组成。这些神经元通过突触连接成为网络，形成了大脑中非常复杂的神经电路。在研究生物神经网络的基础上能够发展新的人工神经网络系统，这对于神经科学、人工智能和生物医学等领域都具有很大的意义。生物神经网络产生的信号的主要形式是电生理信号和电化学信号，其中电生理信号常用于神经计算方面的研究之中，因为其可量化，即时性高。微电极阵列可以与生物神经网络之间进行电信号的双向通讯从而实现神经网络与外界环境之间的交互。然而，少有微电极阵列用于实现神经网络与神经网络之间的单细胞电互连，提高不同神经网络间的交互效率。
2、近年来，神经生物学为我们提供了关于神经元结构、功能和信号传导机制的基本知识，为实现电互连提供了理论基础。基于微纳制造技术使得我们能够精确地制作出高性能的微电极阵列与微流控通道，这为电互连提供了实验平台。但是目前仍缺乏用于实现离体神经网络单细胞电互连的微流控神经芯片与检验神经网络之间电互连形成的方法。为解决这一问题，本专利技术提供了微流控神经芯片及基于该设备实现多个生物神经网络之间通过微电极阵列实现基于电信号的相互连接并检验单细胞电互连形成的检验方法，从而实现对物理上不连接的神经网络实现超距控制，同时提高神经网络之间的信息交换速度，更有望实现对功能分化的模块化生物神经网络进行可控的组合。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于实现单细胞电互连的微流控神经芯片及其制备方法与检验方法。
2、本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：
3、一种用于实现单细胞电互连的微流控神经芯片，由柔性绝缘衬底，微电极阵列，集成了微流控通道的细胞培养腔室和定制连接的神经网络组成：
4、可选地，柔性绝缘衬底包括刚性基板，金属牺牲层，柔性材料层，改性绝缘层。其刚性基板，金属牺牲层可通过腐蚀金属牺牲层去除。可作为微流控神经芯片的衬底，在其改性绝缘层上方进行后续多步加工。
5、可选地，微纳加工技术制作的微电极阵列在柔性绝缘衬底上加工制造。包括触点，引线和与神经细胞进行双向通讯的电极。触点为284个正方形的导电转接点和4个圆形的导电转接点。所有电极可分为相对几何排布关系相同的4组，每71个所述正方形触点和1个圆形触点为一组，围绕衬底中心按顺时针旋转分布在衬底边缘。电极共包括284个圆形微电极和4个等腰三角形的参比电极。所有电极可分为相对几何排布关系相同的4组，每71个所述工作电极和1个参比电极为一组，围绕衬底中心按顺时针旋转分布在衬底中心位置。所述电极和触点通过引线连接，正方形触点与圆形微电极相连，圆形触点与三角形参比电极相连。
6、可选地，集成了微流控通道的细胞培养腔室包括4个腔室，其中两个腔室通过微流控通道相连。
7、可选地，定制连接的神经网络包括4个子神经网络，其中两个子神经网络通过物理互连的微流控通道形成突触连接形成生物互连，另外两个子网络相互独立。
8、可选地，柔性绝缘衬底的柔性材料层包括pdms，parylene等具有高度的柔性和透明度和可靠生物相容性的材料。
9、可选地，工作电极的直径分布在5-30μm，位点间距分布在20-200μm。
10、可选地，集成了微流控通道的细胞培养腔室半径为2-4cm，隔断不同腔室之间的墙壁厚度为100-350μm。
11、可选地，刚性基板、金属牺牲层、柔性材料层和改性绝缘层，以上4层按所述顺序依次加工在前一层上方，加工方式包括但不限于热氧化，增强化学气相沉积或等离子体化学气相沉积等。
12、根据本专利技术另一方面，提供一种微流控神经芯片的制备方法，包括：
13、(1)利用食人鱼溶液清洁刚性基板，如石英玻璃片或硅片；
14、(2)在刚性基板上溅射100nm的铝金属薄膜，作为牺牲层；
15、(3)通过多次旋涂pdms或者沉积parylene，形成厚度为30-50μm的，表面厚度均匀的柔性材料层；
16、(4)通过电感耦合等离子体增强化学气相沉积在柔性材料层沉积200-500nm的二氧化硅对柔性材料层进行改性；
17、(5)在上述柔性绝缘衬底上利用微加工工艺经过多步光刻溅射金属层，沉积绝缘层制备微电极阵列；
18、(6)通过高精度3d打印实现pdms模具的制备；
19、(7)在模具中灌注未凝固的消泡后的液态pdms，静置30分钟后放入80℃烘箱；
20、(8)脱模后的pdms细胞培养腔室通过激光切割在相邻两个腔室之间的墙壁上形成沟道，沟道宽度为10-200μm，数量为4-10；
21、(9)利用硅橡胶将上述集成了微流控通道的细胞培养腔室与制备了微电极阵列的柔性绝缘衬底进行封装；
22、(10)清洁消毒所述微流控微电极阵列并在4个腔室中皆接种神经细胞，生长至21天，在显微镜下确认每个腔室中的神经细胞均形成了神经网络，且微流控通道内存在神经细胞或突触，即物理接连的腔室内的两个神经网络形成了生物上的连接。
23、本专利技术的第三方面提供了一种微流控神经芯片实现单细胞电互连的检验方法，包括：
24、(1)将四个腔室内的神经网络分布命名为a区神经网络，a*区神经网络，b区神经网络，c区神经网络；其中a区神经网络和a*区神经网络通过微流控通道实现物理互连。在显微镜下观察确保a区神经网络和a*区神经网络通过突触形成了生物互连。a区神经网络和b区神经网络；a*区神经网络和c区神经网络分布在调控后形成单细胞电互连。b区神经网络和c区神经网络之前无连接。分别将a区神经网络与a*区神经网络、a区神经网络与b区神经网络、a*区神经网络与c区神经网络、b区神经网络和c区神经网络命名为连接网络aa*、连接网络ab、连接网络a*c、连接网络bc，并作为整体分析；
25、(2)分别分析4个双神经网络的同步性热图，互信息连接网络，网络爆发放电内的总传递时间；
26、(3)分别比较4个双神经网络的同步性热图的相似性，互信息连接网络的距离，网络爆发放电内的总传递时间的长短。如果连接网络ab或连接网络a*c与连接网络aa*的相似性显著高于连接网络bc与连接网络aa*的相似性；连接网络ab或连接网络a*c与连接网络aa*的距离显著低于连接网络bc与连接网络aa*的距离；连接网络ab或连接网络a*c的总传递时间显著短于连接网络bc，则确认连接网络ab或连接网络a*c形成了单细胞电互连。
27、总体来说，本专利技术提供了一种用于实现单细胞电互连的微流控神经芯片以及基于该设备检验单细胞电互连形成的检验方法。该微流控神经芯片通过实现单细胞电互连从而实现对物理上不连接的神经网络实现超距控制，同时提高神经网络之间的信息交换速度，更有望实现本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于实现单细胞电互连的微流控神经芯片，其特征在于，由柔性绝缘衬底(1)，微纳加工技术制作的微电极阵列(2)，集成了微流控通道的细胞培养腔室(3)和定制连接的神经网络(4)组成；
2.根据权利要求1所述的微流控神经芯片，其特征在于，所述柔性绝缘衬底的柔性材料层为聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚对二甲苯(parylene)具有柔性、透明度和生物相容性的材料。
3.根据权利要求1所述的微流控神经芯片，其特征在于，所述工作电极的直径分布在5-35μm，位点间距分布在20-200μm。
4.根据权利要求1所述的微流控神经芯片，其特征在于，所述集成了微流控通道的细胞培养腔室半径为2-4cm，隔断不同腔室之间的墙壁厚度为100-350μm。
5.根据权利要求1所述的微流控神经芯片，其特征在于，所述定制连接的神经网络是基于细胞培养技术的，是海马神经网络、皮层神经网络等单脑区神经元构成的单神经网络，或者是由干细胞分化形成的单神经网络，或者是不同种类神经元构成的混合神经网络。
6.根据权利要求1所述的微流控神经芯片，其特征在于，所述芯
7.根据权利要求2所述的微流控神经芯片，其特征在于，所述的柔性绝缘衬底的制备方法，包括以下步骤：
8.根据权利要求4所述的微流控神经芯片，其特征在于，所述的集成了微流控通道的细胞培养腔室的制备方法，包括以下步骤：
9.一种基于权利要求1-7任一项所述微流控神经芯片的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
10.一种基于权利要求1-8任一项所述微流控神经芯片实现单细胞电互连的检验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种用于实现单细胞电互连的微流控神经芯片，其特征在于，由柔性绝缘衬底(1)，微纳加工技术制作的微电极阵列(2)，集成了微流控通道的细胞培养腔室(3)和定制连接的神经网络(4)组成；
2.根据权利要求1所述的微流控神经芯片，其特征在于，所述柔性绝缘衬底的柔性材料层为聚二甲基硅氧烷(pdms)或聚对二甲苯(parylene)具有柔性、透明度和生物相容性的材料。
3.根据权利要求1所述的微流控神经芯片，其特征在于，所述工作电极的直径分布在5-35μm，位点间距分布在20-200μm。
4.根据权利要求1所述的微流控神经芯片，其特征在于，所述集成了微流控通道的细胞培养腔室半径为2-4cm，隔断不同腔室之间的墙壁厚度为100-350μm。
5.根据权利要求1所述的微流控神经芯片，其特征在于，所述定制连接的神经网...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘瑶瑶，蔡新霞，罗金平，王蜜霞，徐世弘，杨燕，张奎，吕诗雅，王禹，韩美奇，
申请(专利权)人：中国科学院空天信息创新研究院，
类型：发明
国别省市：
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