CN101006920A - 一种三维植入式微电极阵列的制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及了一种三维植入式微电极阵列的制作方法，特征在于直接采用商品化的金属丝作为电极材料，并将金属丝嵌入利用微细加工技术制作的模具基片的微细凹槽中，一方面利用模具基片上的微细管道通过电化学腐蚀方法实现金属丝的定点断裂，并在断面处形成尖端；另一方面通过在模具基片上浇注聚二甲基硅氧烷(PDMS)，利用聚合后的PDMS形成夹持金属丝电极的底座支撑部分；然后将包含金属丝的PDMS从模具基片上剥离切割，通过氧等离子轰击后叠加键合在一起组装成三维微电极阵列。本发明提供了一种加工简单、成本低廉的三维植入式微电极阵列制作方法，可用于加工制作进行神经疾病治疗、神经康复以及神经生物学基础研究的植入式微电极阵列。

Description

一种三维植入式微电极阵列的制作方法
技术领域
本发明涉及一种三维植入式微电极阵列的制作方法，可应用于神经疾患治疗和康复以及神经生物学基础研究等领域。
背景技术
神经工程系统是目前一个非常活跃且发展迅速的研究领域，比如脑-机接口，神经假体等问题受到越来越多的关注。微电极已成为揭示神经系统工作机理、治疗神经疾病和神经康复等方面的重要工具。无论是脑-机接口还是神经假体，通常都是将电极植入动物或患者体内，通过电极加载电信号激励或抑制神经活动以实现功能性电刺激(functional electrical stimulation，FES)，或者利用微电极将神经活动转换为电信号被记录下来进行分析研究。根据作用对象和应用目标的不同，至今人们已陆续研究和开发出了多种形式的植入式微电极，其中高密度、有序排列的三维针式微电极阵列具有独特的优势，它可植入神经束内，直接与神经轴突接触，很好地发挥记录和刺激功能，尤其对深脑皮层刺激和记录具有重要意义，且电极的高密度可以保证良好的选择性刺激或记录。目前最常见的三维针式微电极阵列是基于硅材料为基底加工制作的，比如美国Utah大学Normann等人[P.K.Campbell，K.E.Jones，R.J.Huber，et al.“A Silicon-Based，Three-Dimensional Neural Interface：Manufacturing Processes for an Intracortical Electrode Array，”IEEE Trans.Biomed.Eng.1991，38(8)：758-68.]和Michigan大学的Wise等人[Q.Bai，K.D.Wise，D.J.Anderson.“A High-Yield Microassembly Structure forThree-Dimensional Microelectrode Arrays，”IEEE Trans.Biomed.Eng.2000，47(3)：281-289.]制作的三维针式微电极阵列，其中Utah型电极已经商品化，通常这类以硅材料为基底的三维针式微电极阵列加工过程非常复杂、昂贵，使得该类型微电极难以广泛推广和使用，广大神经电生理科学家和医学工作者也难以从中受益，极大地限制了脑-机接口和神经假体方面的研究步伐。
发明内容
本发明的目的是提供一种廉价、简易的三维植入式微电极阵列的制作方法，降低制作成本，缩短加工周期，促进三维植入式微电极阵列的广泛应用，为神经康复治疗和神经生物学研究奠定基础。
本发明提供的一种三维植入式微电极阵列的制作方法，其特征在于所述的三维植入式微电极阵列直接采用商品化的金属丝作为电极材料，通过简单的微细加工工艺制作夹持金属丝微电极的底座支撑部分，并通过多层叠加的键合工艺最终形成实用化的高密度三维微电极阵列。直接采用金属丝作为电极材料，既保证了植入过程对电极材料刚度和韧性的要求，又避免了微加工工艺直接制作高深宽比三维立体结构的复杂性。
具体而言，首先利用微细加工方法在玻璃或硅基片上加工微细沟槽和腔体结构，制作模具基片；然后，将用作电极的金属丝嵌入模具基片凹槽中(金属丝的直径在10微米至500微米之间，太细的金属丝获取困难，且难以保证植入刚度；而金属丝直径较大则容易导致较大的植入损伤，失去植入式微电极意义)，并在模具基片两端以粘结胶将其固定；在固定金属丝的模具基片上旋涂光刻胶，通过光刻显影制作微沟槽和腔体；在模具基片上贴合一层可去除的盖片，与模具基片上光刻胶制作的沟槽一起形成封闭的微管道，微管道中加入电解液，利用电化学腐蚀的方法将所有金属丝从微管道处腐蚀断开，此时断面处将形成尖端；移除盖片和电解液，在模具基片上旋涂聚二甲基硅氧烷(PDMS)，并加温使之聚合；之后，将整个模具基片浸入丙酮中，去除光刻胶；清洗后，将夹持金属丝的PDMS层从模具基片上剥离下来，并切除不需要的PDMS部分；将多层夹持金属丝的PDMS层利用氧等离子轰击，再叠加键合在一起构成三维微电极阵列(PDMS层结构层数为2层至20层之间，过多层数将导致电极体积过大，失去实用价值)；通过溅射、蒸发或浸入的方式在三维微电极阵列外露金属丝表面进行绝缘处理，微电极绝缘层材料可以为二氧化硅、氮化硅、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷或聚对二甲苯等，绝缘层厚度在0.001微米至1微米之间；通过化学腐蚀或电火花方式去除微电极金属丝尖端绝缘层，完成三维微电极阵列制作，最终制得三维微电极阵列相邻电极杆体之间间距在100微米至1毫米之间，电极杆体之间间距过小将导致植入时插入操作的困难，间距过大将导致电极体积大，失去微电极意义。
本发明提供的三维植入式微电极阵列制作方法与目前常规基于硅材料的三维植入式微电极阵列制作方法相比，具有过程简单，成本低廉，制作周期短的特点，有利于促进三维植入式微电极阵列的广泛应用，从而推动神经康复治疗和神经生物学研究的进步。
附图说明
图1为本发明实施例制作三维微电极阵列所加工的玻璃模具基片结构示意图
图2为钨丝嵌入玻璃模具基片微细凹槽中及固定的示意图
图3为固定钨丝的玻璃模具基片上旋涂光刻胶并光刻后的结构示意图
图4为电化学腐蚀钨丝以精确断裂钨丝及形成锐利尖端的示意图
图5为玻璃模具基片上旋涂PDMS以制作夹持钨丝电极的底座支撑部分的示意图
图6为分离切割处理后形成的单片夹持四根钨丝电极的PDMS底座支撑部分结构示意图
图7为四片夹持钨丝电极的PDMS底座支撑部分键合后形成的三维微电极阵列示意图
图8为三维微电极阵列外露部分浸入聚酰亚胺胶中进行绝缘涂层处理的示意图
图9为利用电火花去除三维微电极阵列电极尖端部分绝缘涂层以制作电极刺激点或记录点的操作示意图
具体实施方式
实施例1
下面结合附图以基于钨丝电极材料和玻璃模具基片制作三维微电极阵列的流程为例进一步说明本发明三维植入式微电极阵列的制作方法。
1、首先将玻璃基片分别置于丙酮、酒精中各超声10分钟，并以去离子水清洗，然后置于浓H2SO4中煮沸15分钟，去离子水冲洗干净，氮气吹干，200℃烘箱热烘30分钟。
2、在准备好的玻璃基片表面旋涂AZ4620光刻胶(转速3000转/分)，并置于80℃烘箱实行30分钟软烘，然后曝光、显影，获得所需刻蚀掩模层的图形，最后将显影好的玻璃基片置于130℃烘箱中硬烘1小时。
3、将完成硬烘后的玻璃基片置于BOE(Buffered Oxide Etch，BOE)玻璃腐蚀液中刻蚀约2小时(刻蚀过程中以磁力搅拌器不断搅拌)，形成所需微细凹槽(宽约120微米，深约100微米)和微腔体结构(如图1所示)。
4、将直径100微米的钨丝2嵌入玻璃模具基片1的凹槽中，并在模具基片两端以环氧树脂胶3固定(如图2所示)；
5、在固定钨丝的玻璃模具基片上旋涂光刻胶4(厚度约100微米)，并光刻显影制作微沟槽5和腔体结构6(如图3所示)；
6、将一片表面平整的PDMS片7对应位置打孔，作为盖片贴合于已利用光刻胶制作微沟槽结构的玻璃模具基片上形成封闭微管道，并通过微孔向微管道中注入1MNaOH，微腔中插入一铂丝电极8，并将钨丝外露部分和铂丝电极8分别通过导线9接稳压直流电源正极和负极，加载10V直流电进行电化学腐蚀(如图4所示)；
7、所有钨丝腐蚀断开后，去除NaOH溶液和PDMS片7，并氮气吹干，然后旋涂液态PDMS前体，并置于80℃烘箱中使之固化形成PDMS层10(如图5所示)；
8、将夹持钨丝的PDMS剥离下来，并利用刀片分割和切除不需要的PDMS部分，形成一片PDMS底座支撑部分11夹持一排高密度钨丝2的单元结构(如图6所示)；
9、将上述四片夹持钨丝的PDMS层利用氧等离子轰击，再叠加键合在一起构成三维微电极阵列12，后端通过商品化的接头13与外围电信号相连(如图7所示)；
10、将三维微电极阵列钨丝外露部分浸入聚酰亚胺胶14中，并取出，静置30分钟后置于烘箱中进行钨丝表面聚酰亚胺胶的固化(如图8所示)；
11、电极表面完成绝缘层15处理后，通过电火花方式去除微电极金属丝尖端绝缘层，形成导电刺激点或记录点16，完成三维微电极阵列制作(如图9所示)。

Claims (7)

1、一种三维植入式微电极阵列的制作方法，该方法包括：
①利用湿法或等离子刻蚀制作具有微细凹槽和微细结构的玻璃或硅模具基片；
②将金属丝嵌入模具基片的凹槽中，两端用粘结胶固定；
③在固定金属丝的模具基片上旋涂光刻胶，并光刻显影制作微沟槽和腔体；
④模具基片上贴合一层可去除的盖片，与模具基片上光刻胶制作的沟槽一起形成封闭的微管道，微管道中加入电解液，利用电化学腐蚀的方法将所有金属丝从微管道处腐蚀断开；
⑤去除盖片和电解液，并在模具基片上旋涂聚二甲基硅氧烷，加温聚合；
⑥用丙酮去除光刻胶，并将夹持金属丝的聚二甲基硅氧烷层从模具基片上剥离；
⑦切除聚二甲基硅氧烷多余部分，并将多层夹持金属丝的聚二甲基硅氧烷层利用氧等离子轰击，再叠加键合在一起构成三维微电极阵列；
⑧通过溅射、蒸发或浸入的方式在三维微电极阵列外露金属丝表面进行绝缘处理；
⑨通过化学腐蚀或电火花方式去除微电极金属丝尖端绝缘层，完成三维微电极阵列制作。
2、根据权利要求1所述的三维植入式微电极阵列的制作方法，其特征在于：所述的微电极金属丝材料为钨、不锈钢、金、银、铂或铱。
3、根据权利要求1或2所述的三维植入式微电极阵列的制作方法，其特征在于所述的微电极金属丝的直径在10微米至500微米之间。
4、根据权利要求1所述的三维植入式微电极阵列的制作方法，其特征在于：所述微电极除尖端外，其余被绝缘材料覆盖的厚度介于0.001～1微米之间。
5、根据权利要求1或4所述的三维植入式微电极阵列的制作方法，其特征在于：所述的微电极绝缘层材料为二氧化硅、氮化硅、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷或聚对二甲苯。
6、根据权利要求1所述的三维植入式微电极阵列的制作方法，其特征在于：所述微电极相邻电极杆之间的间距在100微米至1毫米之间。
7、根据权利要求1所述的三维植入式微电极阵列的制作方法，其特征在于：所述的微电极阵列是由2至20层夹持金属丝的PDMS叠加键合构成。
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