CN104473718B - 一种导电-导光的人工耳蜗电极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导电-导光的人工耳蜗电极及其制备方法，它是以光纤和纳米金属粒子为主要材料，用光纤金属镀膜装置将纳米金属粒子涂覆在光纤包层表面，并使用烧结技术在光纤包层上制备导电金属镀膜，获得导光-导电的人工耳蜗新电极，这种电极既能导电又能导光，并兼有电子耳蜗和光学耳蜗的优点，给研究和临床应用提供了很大便利，能帮助植入者提高语音识别质量，在人工听觉的基础研究和临床具有很大的应用前景，本发明利用纳米金属金、银、铜浆烧结制备导电光纤的方法，工艺简单、无污染、性能可靠，适合制备各种不同长度的导电光纤。

Description

一种导电-导光的人工耳蜗电极及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种导电、导光的人工耳蜗电极及其制备技术，属医用光学领域。

背景技术

人工耳蜗是帮助耳聋患者恢复听觉的一种电子器件，是利用耳蜗电极发出的特定脉冲电流激发耳蜗内的听觉神经帮助耳蜗植入者产生听觉。目前临床使用的人工耳蜗电极都是使用高导电性的金属铂或白金制成，虽然具有优良的导电性，却不能导光。由于受电流扩散效应的影响，基于电流触发的人工耳蜗的频率选择性较低，同时电流扩散会引起两个电极之间的相互干扰引起信号失真。

研究表明利用激光脉冲在耳蜗中触发听觉神经可以产生听觉，这种基于激光触发的光学耳蜗能有效提升频率触发的选择性。目前一般使用光纤将激光脉冲导入耳蜗中。光纤是一种由玻璃制成的用于光传导的纤维，被广泛应用于通讯、医学、传感测量等领域。但是普通的光纤不导电，如果在光纤外皮层表面镀上一层导电介质，则能获得既导光又导电的光纤。这种既导光又导电的光纤则可以用做一种新型的导光-导电的耳蜗电极，能兼具电流激发和激光激发的性能，最大限度地为患者提供优质的听觉恢复功能。

在光纤外皮层镀膜一般采用溅射镀膜法、物理气象沉积法、化学电镀法、静电纺丝法镀膜法等在光纤表面镀一层金属或介电薄膜，获得导电性[N.Yoshizawa, H.Tada, Y. Katsuyama. J. Lightwave Technol, 1991(9):417; V.A. Bogatyrjov, E.M. Dianov, S.D. Rumyantsev, A.A. Sysoliatin, Thechnical Digest Optical Fiber Communciation Conference, series, vol. 4, Optical S℃iety of Ameria, Washington, DC, 1993:78; 黄少强，邱文革，李生华，非金属材料表面化学镀银，北京工业大学学报，2005(1):75；彭健，周宇，杨郭，石英光纤表面金属化的研究概况，广州化工，2010（5）：17；王丽娜，掺锡氧化铟纳米纤维膜复合光纤的制备与性能研究，浙江理工大学硕士学位论文，2013]。上述方法获得良好的光纤具有良好的导电导光特性，但是工艺复杂，生产环节较多，对实验设备的要求较高，而且其中的部分方法比如化学电镀法等还会产生较多的化学废液，现有导电光纤的制备方法主要是物理方法，目前与本发明最接近的现有技术有方案有两种。

第一种是一种透明导电光纤及其制备方法，中国专利公开号CN103646720A，公开了一种透明导电光纤及其制备方法。该透明光纤包括裸光纤及包裹在其外侧皮层的透明导电氧化物纳米纤维膜组成。导电氧化物的成分为SnO₂、CdO、ZnO、Ga₂O₃、Cu₂O或SrTiO₄中的任意一种。该发明给出了兼具透明、导电和导光三重特征的光纤，在光催化和传感领域具有潜在应用。

第二种是中国专利公开号CN103014649A，公开了一种光纤镀膜工艺，该发明通过采用成本低廉的硅材质固定板实现对光纤的夹持，并使用锡箔或铝箔对光纤上不需要镀膜的区域进行保护，使得原本非光纤镀膜用的普通光学镀膜机可以用作为光纤镀膜，价格低廉可重复使用，操作简单、易行。

第一种方案，是将静电纺丝制备的纳米纤维直接喷涂在光纤外皮层，制备透明导电氧化物纳米纤维膜，而且导电氧化物的组成有很大的选择性。虽然静电纺丝法制备在制备纳米纤维方面是一个比较成熟的工艺，但用于光纤表面镀膜时，需要保持光纤不断旋转从而完成对光纤外皮层的均匀涂覆。该工艺使用特定的机械装置实现对光纤的不停旋转。这种机械装置比较适合短光纤的旋转，从而适合在短光纤表面镀膜。对于在较长的光纤表面镀导电薄膜的情况，该发明没有提出相应的解决方案。另外，该发明制备的透明导电光纤在光纤弯曲的曲率较大时，光的侧漏将比较显著，从而损耗较大，影响通光性能。

第二种方案，也是利用机械旋转光纤，与方法一不同的地方，方案二采用的是普通光学镀膜机对光纤表面镀膜。该方法同样无法对较长的光纤进行表面镀膜，而且使用的光纤镀膜机需要在真空下使用，工艺复杂，对制备过程中操作的灵活性有很大限制。

发明内容

本发明的目的就是提供了一种导电导光的人工耳蜗电极及其制备方法，确使人工耳蜗兼具电流激发和激光激发的性能，最大限度的为患者提供优质的听觉恢复功能。

本发明的方案是利用纳米金属粒子纳米银、纳米金或者纳米铜的烧结技术在光纤外皮层制备均匀厚度的金属镀膜，并在金属镀膜表面涂覆一层柔软而富有弹性的医用硅胶，获得生物兼容性的导电-导光耳蜗电极。制备该电极步骤如下。

1、光纤表层的处理：

使用光纤钳机械去除光纤的原始护套和涂覆层，保留纤芯和包层，然后将光纤浸泡在浓度为30-40%的NaOH溶液中10-15分钟，去除光纤表面残留的杂质，再用去离子水洗涤光纤后，将光纤在温控干燥箱中80℃干燥。最后使用浓度为1%的氨基硅烷KH-550溶液浸泡光纤30分钟，在恒温箱中80℃干燥处理后备用。

2、在光纤表面涂覆含纳米金属的树脂：

将含有纳米金属粒子的双酚A型环氧树脂，粘度控制在10-20cps或含有纳米金、纳米银、纳米铜的金属树脂置入本发明的导电光纤金属镀膜装置上部倒置的圆锥形镀膜箱内，在镀膜箱的上下中心分别开有一个根据镀膜厚度预先设计加工而成的校位孔及镀膜孔，然后将步骤1中获得的光纤自上而下通过金属镀膜装置下部的出纤孔，将纳米金属粘附在光纤皮层表面。

3、温控炉预热固化烧结：

在光纤金属镀膜装置下方用一个含氮温控预热烘箱对涂覆层进行预热固化处理，温度设定70-90℃，然后在第二个含氮温控固化烘箱中130-160℃的温度下，对涂覆纳米金属的光纤进行20-30分钟的烧结。通过烧结分解气化溶剂树脂，并将纳米金属粒子团聚在光纤表面形成均匀的金属镀膜。

4、导电光纤的硅胶保护处理：

对耳蜗电极所需长度的金属镀膜光纤进行导电和通光性能测试，然后将该光纤置入装有硅胶混合液的模具中，在光纤表面涂覆一层硅胶，在烤箱中60-120℃的温度下进行20-30分钟固化，从而获得单根导电-导光耳蜗电极。

本发明的有益效果：

本发明公开的导电-导光的人工耳蜗电极，以光纤和纳米金属粒子为主要材料，用光纤金属镀膜装置将纳米金属粒子涂覆在光纤包层表面，并使用烧结技术在光纤包层上制备导电金属镀膜，获得导光-导电的人工耳蜗新电极。这种电极既能导电又能导光，并兼有电子耳蜗和光学耳蜗的优点，给研究和临床应用提供了很大便利，能帮助植入者提高语音识别质量，在人工听觉的基础研究和临床具有很大的应用前景。本发明利用纳米金属金、银、铜浆烧结制备导电光纤的方法，工艺简单、无污染、性能可靠，适合制备各种不同长度的导电光纤。医用硅胶柔软而富有弹性能很好的保护光纤，同时起到绝缘和提高电极生物相容性的作用。本发明提出的制备导电-导光的耳蜗电极的工艺方法，也可以制备其他相似的导电-导光的生物电极，能被广泛应用到神经科学等领域，不仅能促进人工耳蜗行业的发展，也能促进神经科学等其他领域的发展。

下面结合附图作进一步详细说明。

附图说明

图1为多通道导电导光耳蜗电极示意图；

图2为多通道导电导光耳锅电极横截面示意图；

图3为单根导电、导光耳蜗电极纵截面示意图；

图4为单根导电、导光耳蜗电极横截面示意图；

图5为导电光纤的金属镀膜装置结构示意图；

图6为镀银后的光纤表面的光学显微镜图；

图7为镀银后的光纤横截面的光学显微镜图。

具体实施方式

图1-2中示出的多通道导电导光耳蜗电极光纤1的中心部设有四组或多组具有导电导光功能的通电电极2、3、4、5，通电电极的外侧设有内绝缘层，内绝缘层的外侧设有外保护层。其中每根电极的长度根据耳蜗植入的需要设定，电流和激光由耦合器分别接入相应的电极中，电极数目根据需要增加，而且每根电极的长度根据实际需要制备。所述多通道导电导光耳蜗电极的制备方法，是将多根按照权利要求1描述获得的导电、导光耳蜗电极，根据多通道人工耳蜗的设计需求按一定规律排列，制备多通道耳蜗电极。

图3-4中示出的单根导电光纤的中心部设有纤芯9，纤芯的外侧设有包层8，包层的外侧设有金属镀膜层7，金属镀膜层的外侧设有硅胶保护层6，单根导电光纤适用于多种光纤，包括商用光纤。如纤芯与包层直径分别为50um和125um的多模光纤及纤芯与包层直径分别为10um和125um的单模光纤等多种玻璃光纤，也适用于各种特殊光纤，如光子晶体光纤等。所述的单根导电光纤具有导电导光的性能，光纤内的金属镀膜层7导电，纤芯9与包层8起到通光的作用。

图5中示出的导电光纤的金属镀膜装置由底架、机架、镀膜箱、预热烘箱、固化烘箱及电机组成，底架23的上端设有机架20，机架的上端设有镀膜箱17，镀膜箱的左上端设有进料斗14，镀膜箱的上中部设有校位栓16，校位栓的中部设有校位孔，校位栓由螺纹连接安装在镀膜箱的上中部，镀膜箱的底端设有镀膜栓18，镀膜栓的中部设有镀膜孔，镀膜栓由螺纹连接安装在镀膜箱的底端，镀膜箱的下端设有上导管13，上导管的右上侧设有氮气进气口19，上导管的下端设有预热烘箱12，上导管的上中部设有出纤孔，预热烘箱的上下中心部设有预热出纤孔，预热烘箱的下端设有下导管11，下导管的下端设有固化烘箱10，固化烘箱的上下中心部设有固化烘箱出纤孔，机架的底端设有电机21，电机的前端设有绕线轮22，绕线轮上绕有镀膜的导电光纤15，校位栓的校位孔及镀膜孔可根据镀膜光纤的直径随意更换，上导管上中部的出纤孔、预热烘箱上下中心部的预热烘箱出纤孔及固化烘箱上下中心部的固化烘箱出纤孔的直径设为0.5-1厘米。

制备时，首先用光纤钳将商业通讯光纤的原始护层和涂覆层用机械剥离，保留纤芯和包层。然后将光纤浸入浓度为40% NaOH溶液中超声振荡去除光纤表面残留的杂质，经去离子水洗涤后植入80℃恒温干燥箱中干燥，再使用浓度为1%的氨基硅烷KH-550溶液浸泡光纤30分钟，在恒温箱中80℃干燥，镀膜时，将银浆置入导电光纤金属镀膜装置的镀膜箱中，将光纤在镀膜箱中自上而下的抽出则可以在光纤外表面上涂覆一层厚度均匀的银浆。银浆厚度可以通过改变纳米银浆的粘度和光纤在涂覆装置中的移动速度控制。将银浆涂覆的光纤快速进行预热固化处理（80℃，5分钟），然后进入固化烘箱对银浆进行烧结（150℃，30分钟），获得导电性能良好的银镀膜，然后将镀银光纤置入装有硅胶混合液的模具中，在光纤最外层涂覆硅胶保护层，获得导电导光耳蜗电极。镀膜时，由氮气进气口充入的清洁氮气进入上导管、预热烘箱、下导管及固化烘箱起到保护和防止氧化的作用，充入的氮气经固化烘箱下端的固化烘箱出纤口排出。

图6为申请人实验室预制的导电导光电极的镀银层表面的显微图像。从中可以看出，利用烧结方法制备的镀银层结构均匀。

图7为镀银后光纤的横截面光学显微镜图像。图的左下方白色的圆斑为光纤的纤芯，其外有厚度约50微米的包层，在包层外侧有约3微米厚的金属银镀层。从中可以看到，镀银层厚度比较均匀，而且微观结构致密。

Claims (3)

1.一种导电-导光的人工耳蜗电极的制备方法，其特征在于：它包括下列步骤：

（1）光纤表层的处理

使用光纤钳机械去除光纤的原始护套和涂覆层，保留纤芯和包层，然后将光纤浸泡在浓度为30-40%的NaOH溶液中10-15分钟，去除光纤表面残留的杂质，再用去离子水洗涤光纤后，将光纤在温控干燥箱中80℃干燥，最后使用浓度为1%的氨基硅烷KH-550溶液浸泡光纤30分钟，在恒温箱中80℃干燥处理后备用；

（2）在光纤表面涂覆含纳米金属的树脂

将含有纳米金属粒子的双酚A型环氧树脂，粘度控制在10-20cps或含有纳米金、纳米银、纳米铜的金属树脂置入本发明的导电光纤金属镀膜装置上部倒置的圆锥形镀膜箱内，在镀膜箱的上下中心分别开有一个根据镀膜厚度预先设计加工而成的校位孔及镀膜孔，然后将步骤1中获得的光纤自上而下通过金属镀膜装置下部的出纤孔，将纳米金属粘附在光纤皮层表面；

（3）温控炉预热固化烧结

在光纤金属镀膜装置下方用一个含氮温控预热烘箱对涂覆层进行预热固化处理，温度设定70-90℃，然后在第二个含氮温控固化烘箱中130-160℃的温度下，对涂覆纳米金属的光纤进行20-30分钟的烧结，通过烧结分解气化溶剂树脂，并将纳米金属粒子团聚在光纤表面形成均匀的金属镀膜；

（4）、导电光纤的硅胶保护处理

对耳蜗电极所需长度的金属镀膜光纤进行导电和通光性能测试，然后将该光纤置入装有硅胶混合液的模具中，在光纤表面涂覆一层硅胶，在烤箱中60-120℃的温度下进行20-30分钟固化，从而获得单根导电-导光耳蜗电极。

2.一种多通道导电导光耳蜗电极的制备方法，是将多根按照权利要求1描述获得的导电、导光耳蜗电极，根据多通道人工耳蜗的设计需求按一定规律排列，制备多通道耳蜗电极，其特征在于：是在多通道光纤（1）的中心部设有四组或多组具有导电导光功能的通电电极（2）、（3）、（4）、（5），通电电极的外侧设有内绝缘层，内绝缘层的外侧设有外保护层。

3.一种导电光纤的金属镀膜装置，由底架、机架、镀膜箱、预热烘箱、固化烘箱及电机组成，其特征在于：底架（23）的上端设有机架（20），机架的上端设有镀膜箱（17），镀膜箱的左上端设有进料斗（14），镀膜箱的上中部设有校位栓（16），校位栓的中部设有校位孔，校位栓由螺纹连接安装在镀膜箱的上中部，镀膜箱的底端设有镀膜栓（18），镀膜栓的中部设有镀膜孔，镀膜栓由螺纹连接安装在镀膜箱的底端，镀膜箱的下端设有上导管（13），上导管的右上侧设有氮气进气口（19），上导管的下端设有预热烘箱（12），上导管的上中部设有出纤孔，预热烘箱的上下中心部设有预热出纤孔，预热烘箱的下端设有下导管（11），下导管的下端设有固化烘箱（10），固化烘箱的上下中心部设有固化烘箱出纤孔，机架的底端设有电机（21），电机的前端设有绕线轮（22）。