CN102390801A - 一种植入式双性能测试微电极阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于微机械加工技术领域的一种植入式双性能测试微电极阵列。该微电极阵列由至少一个以上微电极和外部电缆束组成，每个微电极包括电生理学微电极、电化学微电极、电极基底、电极内引线、电生理学引线接口、电化学引线接口、引线接口基底、电生理学电极表面涂层、电化学表面电极涂层。具有涂层的微电极分布在电极基底的表面，并且在水平方向上有两个距离相对适宜且对应的微电极，分别用于电生理和电化学测量，外部电缆束中的电缆将引线接口与外部设备连接起来向外部设备输出信号。本发明基于神经系统的空间结构特点，能够在有效的空间内实现神经元的电生理电信号记录和电化学递质的同时检测。
Description
技术领域
本发明属于微机械加工技术领域，具体涉及一种植入式双性能测试微电极阵列。
背景技术
人的大脑中有着上千亿的神经细胞，在这些细胞中，信息是通过电信号传递的；在细胞与细胞之间，通过突触相互连接实现信息的传递；突触是神经元之间或神经元与其他细胞之间在机能上发生联系的部位，是信息传递和整合的关键部位。他们通过突触相互连接并传递信息，其可以分泌一些化学物质-神经递质(如多巴胺等)，这些递质通过突触间隙与突触后膜上的受体结合，这种相互作用产生的局部分级电位，将电信号从一个神经细胞传至另一个神经细胞。
在神经系统中，神经信号的产生、传输、处理和终止等信息可以通过对神经元之间的电生理活动以及神经递质变化的研究进行解释和分析。比如，神经系统特定区域中的神经递质浓度异常改变会引发神经细胞的电生理活动；不仅如此，对神经细胞进行电刺激也会引起神经细胞分泌递质。因此实现同时对神经系统中神经电生理信号和神经递质电化学信号多尺度多维度微弱信息的获取对理解神经系统的运作原理具有重要的意义。然而由于神经电生理检测和神经递质检测的相对独立性，目前还没有实现对神经系统中电生理信号和电化学信号的同步定量检测，由此也无法达到对二者相互作用关系及其相关科学问题的深入透彻研究。
在基于微电子机械系统技术(MEMS)的条件下，通过利用纳米材料调控电极表面性质，实现多尺度多层次神经电生理信号和神经电化学信号的同时检测，目前还尚无报道出现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种植入式双性能测试微电极阵列，该阵列能在有效的空间内实现电生理信号和电化学信号的同时测量，为神经系统的信号传导研究奠定基础。
一种植入式双性能测试微电极阵列，该微电极阵列包括电生理学微电极1、电化学微电极2、电极基底3、电极内引线4、电生理学引线接口5、电化学引线接口6、引线接口基底7、外部电缆束8、电生理学电极表面涂层9、电化学表面电极涂层10；电生理学微电极1和电化学微电极2分别对应位于电极基底3两侧，成对排列，有4-8组；电生理学微电极1和电化学微电极2通过各自的电极内引线4连接到电生理学引线接口5和电化学引线接口6，电生理学引线接口5和电化学引线接口6位于引线接口基底7上，电生理学引线接口5和电化学引线接口6引出的导线捆绑成束，外加绝缘皮形成外部电缆束8，连接到外部设备；电生理学微电极1和电化学微电极2表面分别涂覆电生理学电极表面涂层9和电化学表面电极涂层10。
所述电极基底3和引线接口基底7的材质为硅或SiO2。
所述电生理学微电极1和电化学微电极2为金属电极，电极材料选自钨、金、铂、铱或铂铱合金中的一种。
所述电极内引线4为多晶硅材料。
所述电生理学引线接口5和电化学引线接口6直径为200-300μm。
所述电生理学电极表面涂层9材料为铂黑；所述电化学表面电极涂层10材料为硫辛酸修饰的电化学活化碳纤维。
所述电生理学微电极1与电化学微电极2横向间距为4-6μm，电生理学微电极1或电化学微电极2的测试点大小为5μm×5μm，每组微电极的垂直距离为50-150μm。
所述微电极长度为2.5mm，宽度为100-200μm，厚度为80-120μm。
本发明植入式双性能测试微电极阵列工作过程如下：
对于电生理学微电极，神经元在刺激的条件下产生动作电位，由电生理学微电极采集电信号，依次经过电生理电极的引线、引线接口和外部电缆束传送到外部记录设备；
对于电化学测试电极：神经元在刺激的条件下释放神经递质(如多巴胺)催化电化学微电极表面涂层材料，引发电化学测量电极的电流响应，电流由相应电极的引线、引线接口和外部电缆束传送到外部记录设备。
引线接口基底固定于颅骨上，微电极通过颅骨钻孔传入大脑的皮层组织中；微电极阵列可以以多个探针的形式分布于大脑皮层区域，以增大测量的范围。
本发明的有益效果是：本发明通过在一定距离范围内构建成对电极，利用电极表面修饰材料和结构不同，实现对神经系统中特定区域的电生理学信号和电化学信号的同时检测；本发明充分考虑所要植入人体大脑部分的形态特征和功能特点，以针形探针为外形的微电极能够在更大程度上减少电极植入过程中引发的插入损伤；本发明能够在大脑不同位置同时植入所述的微电极阵列，实现对不同深度的大脑组织中的特定区域的测量，增大有限空间内电生理学和电化学信号的测量密度。
附图说明
图1为本发明一个微电极的结构示意图；
图2为本发明微电极阵列整体的结构示意图；
图3为本发明微电极的侧面结构图；
图中，1-电生理学微电极、2-电化学微电极、3-电极基底、4-电极内引线、5-电生理学引线接口、6-电化学引线接口、7-引线接口基底、8-外部电缆束、9-电生理学电极表面涂层、10-电化学表面电极涂层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
如图1、2、3所示，本实施例植入式双性能测试微电极阵列包括电生理学微电极1、电化学微电极2、电极基底3、电极内引线4、电生理学引线接口5、电化学引线接口6、引线接口基底7、外部电缆束8、电生理学电极表面涂层9、电化学表面电极涂层10；电生理学微电极1和电化学微电极2分别对应位于电极基底3两侧，成对排列，有4-8组；电生理学微电极1和电化学微电极2通过各自的电极内引线4连接到电生理学引线接口5和电化学引线接口6，电生理学引线接口5和电化学引线接口6位于引线接口基底7上，电生理学引线接口5和电化学引线接口6引出的导线捆绑成束，外加绝缘皮形成外部电缆束8，连接到外部设备；电生理学微电极1和电化学微电极2表面分别涂覆电生理学电极表面涂层9和电化学表面电极涂层10。
电极基底3和引线接口基底7的材质为硅；电生理学微电极1和电化学微电极2为金电极；电极内引线4为多晶硅材料；电生理学引线接口5和电化学引线接口6直径为200μm；电生理学电极表面涂层9材料为铂黑；电化学表面电极涂层10材料为硫辛酸修饰的电化学活化碳纤维；电生理学微电极1与电化学微电极2横向间距为4μm，电生理学微电极1或电化学微电极2的测试点大小为5μm×5μm，每组微电极的垂直距离为100μm；所述微电极长度为2.5mm，宽度为100-200μm，厚度为80-120μm。
本实施例植入式双性能测试微电极阵列工作过程如下：
对于电生理学微电极，神经元在刺激的条件下产生动作电位，由电生理学微电极采集电信号，依次经过电生理电极的引线、引线接口和外部电缆束传送到外部记录设备；
对于电化学测试电极：神经元在刺激的条件下释放神经递质(如多巴胺)催化电化学微电极表面涂层材料，引发电化学测量电极的电流响应，电流由相应电极的引线、引线接口和外部电缆束传送到外部记录设备。
实施例2
本实施例植入式双性能测试微电极阵列包括电生理学微电极1、电化学微电极2、电极基底3、电极内引线4、电生理学引线接口5、电化学引线接口6、引线接口基底7、外部电缆束8、电生理学电极表面涂层9、电化学表面电极涂层10；电生理学微电极1和电化学微电极2分别对应位于电极基底3两侧，成对排列，有4-8组；电生理学微电极1和电化学微电极2通过各自的电极内引线4连接到电生理学引线接口5和电化学引线接口6，电生理学引线接口5和电化学引线接口6位于引线接口基底7上，电生理学引线接口5和电化学引线接口6引出的导线捆绑成束，外加绝缘皮形成外部电缆束8，连接到外部设备；电生理学微电极1和电化学微电极2表面分别涂覆电生理学电极表面涂层9和电化学表面电极涂层10。
电极基底3和引线接口基底7的材质为SiO2；电生理学微电极1和电化学微电极2为铂铱合金电极；电极内引线4为多晶硅材料；电生理学引线接口5和电化学引线接口6直径为250μm；电生理学电极表面涂层9材料为铂黑；电化学表面电极涂层10材料为硫辛酸修饰的电化学活化碳纤维；电生理学微电极1与电化学微电极2横向间距为5μm，电生理学微电极1或电化学微电极2的测试点大小为5μm×5μm，每组微电极的垂直距离为50μm；所述微电极长度为2.5mm，宽度为100-200μm，厚度为80-120μm。
本实施例植入式双性能测试微电极阵列工作过程如下：
对于电生理学微电极，神经元在刺激的条件下产生动作电位，由电生理学微电极采集电信号，依次经过电生理电极的引线、引线接口和外部电缆束传送到外部记录设备；
对于电化学测试电极：神经元在刺激的条件下释放神经递质(如多巴胺)催化电化学微电极表面涂层材料，引发电化学测量电极的电流响应，电流由相应电极的引线、引线接口和外部电缆束传送到外部记录设备。
实施例3
本实施例植入式双性能测试微电极阵列包括电生理学微电极1、电化学微电极2、电极基底3、电极内引线4、电生理学引线接口5、电化学引线接口6、引线接口基底7、外部电缆束8、电生理学电极表面涂层9、电化学表面电极涂层10；电生理学微电极1和电化学微电极2分别对应位于电极基底3两侧，成对排列，有4-8组；电生理学微电极1和电化学微电极2通过各自的电极内引线4连接到电生理学引线接口5和电化学引线接口6，电生理学引线接口5和电化学引线接口6位于引线接口基底7上，电生理学引线接口5和电化学引线接口6引出的导线捆绑成束，外加绝缘皮形成外部电缆束8，连接到外部设备；电生理学微电极1和电化学微电极2表面分别涂覆电生理学电极表面涂层9和电化学表面电极涂层10。
电极基底3和引线接口基底7的材质为SiO2；电生理学微电极1和电化学微电极2为钨电极；电极内引线4为多晶硅材料；电生理学引线接口5和电化学引线接口6直径为300μm；电生理学电极表面涂层9材料为铂黑；电化学表面电极涂层10材料为硫辛酸修饰的电化学活化碳纤维；电生理学微电极1与电化学微电极2横向间距为6μm，电生理学微电极1或电化学微电极2的测试点大小为5μm×5μm，每组微电极的垂直距离为150μm；所述微电极长度为2.5mm，宽度为100-200μm，厚度为80-120μm。
本实施例植入式双性能测试微电极阵列工作过程如下：
对于电生理学微电极，神经元在刺激的条件下产生动作电位，由电生理学微电极采集电信号，依次经过电生理电极的引线、引线接口和外部电缆束传送到外部记录设备；
对于电化学测试电极：神经元在刺激的条件下释放神经递质(如多巴胺)催化电化学微电极表面涂层材料，引发电化学测量电极的电流响应，电流由相应电极的引线、引线接口和外部电缆束传送到外部记录设备。
Claims (8)
1.一种植入式双性能测试微电极阵列，其特征在于，该微电极阵列由至少一个以上微电极和外部电缆束(8)组成，每个微电极包括电生理学微电极(1)、电化学微电极(2)、电极基底(3)、电极内引线(4)、电生理学引线接口(5)、电化学引线接口(6)、引线接口基底(7)、电生理学电极表面涂层(9)、电化学表面电极涂层(10)；电生理学微电极(1)和电化学微电极(2)分别对应位于电极基底(3)两侧，成对排列，有4-8组；电生理学微电极(1)和电化学微电极(2)通过各自的电极内引线(4)连接到电生理学引线接口(5)和电化学引线接口(6)，电生理学引线接口(5)和电化学引线接口(6)位于引线接口基底(7)上，电生理学引线接口(5)和电化学引线接口(6)引出的导线捆绑成束，外加绝缘皮形成外部电缆束(8)，连接到外部设备；电生理学微电极(1)和电化学微电极(2)表面分别涂覆电生理学电极表面涂层(9)和电化学表面电极涂层(10)。
2.根据权利要求1所述一种植入式双性能测试微电极阵列，其特征在于，所述电极基底(3)和引线接口基底(7)的材质为硅或SiO2。
3.根据权利要求1所述一种植入式双性能测试微电极阵列，其特征在于，所述电生理学微电极(1)和电化学微电极(2)为金属电极，电极材料选自钨、金、铂、铱或铂铱合金中的一种。
4.根据权利要求1所述一种植入式双性能测试微电极阵列，其特征在于，所述电极内引线(4)为多晶硅材料。
5.根据权利要求1所述一种植入式双性能测试微电极阵列，其特征在于，所述电生理学引线接口(5)和电化学引线接口(6)直径为200-300μm。
6.根据权利要求1所述一种植入式双性能测试微电极阵列，其特征在于，所述电生理学电极表面涂层(9)材料为铂黑；所述电化学表面电极涂层(10)材料为硫辛酸修饰的电化学活化碳纤维。
7.根据权利要求1所述一种植入式双性能测试微电极阵列，其特征在于，所述电生理学微电极(1)与电化学微电极(2)横向间距为4-6μm，电生理学微电极(1)或电化学微电极(2)的测试点大小为5μm×5μm，每组微电极的垂直距离为50-150μm。
8.根据权利要求1所述一种植入式双性能测试微电极阵列，其特征在于，所述微电极长度为2.5mm，宽度为100-200μm，厚度为80-120μm。
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