CN104759854A - 一种植入式针形生物电极制作方法 - Google Patents

一种植入式针形生物电极制作方法 Download PDF

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彭勇
苏洋洋
巨亚坤
沈伟超
田茹
郭聪珊
苏晨旭
张凡
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    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61B5/291—Bioelectric electrodes therefor specially adapted for particular uses for electroencephalography [EEG]
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    • A61N1/02—Details
    • A61N1/04—Electrodes

Abstract

一种植入式针形生物电极制作方法，其步骤包括：1、进行钨丝的预处理，使钨丝笔直且每个截面密度一致；2、制作钨丝电极的针尖，使其截面呈圆形；3、进行钨丝电极的绝缘处理，对需要绝缘部位均匀涂抹聚酰亚胺绝缘漆；4、制作双电极，将三根绝缘钨电极平行放置，将中间一根尖端和末端剪除，另两根末端超出中间钨丝的部位接仪器，再涂抹绝缘漆，将三根钨丝并排粘贴一起，组成一个双电极；5、电极导电性能及绝缘性测试，采用电化学方法测试尖端的导通和针体的绝缘。本发明制作方法简单，选材经济耐用，制作的双电极能够满足动物机器人中脑电采集或脑部神经刺激的需要，比实验中应用单电极更为方便，比电极阵列对脑部伤害更小。

Description

一种植入式针形生物电极制作方法
技术领域
本发明涉及一种电极的制作方法。
背景技术
植入式针型微电极是脑-机接口的最关键部件，针体尖细，可以实现高密度的三维阵列的排列结构。在动物机器人的研究中，针型微电极主要是植入大脑皮层或中枢神经，直接与神经元细胞接触，记录和传递电信号，对研究神经系统的工作机理具有重要意义。
针型微电极发展至今，其类型及制备方式多种多样，按照材料不同大致分为玻璃毛细管电极和微丝微电极，基于MEMS工艺的微电极从形态上又可以分为箍型微电极、平面微电极、筛型微电极和针型微电极等几个类别。根据微电极应用范围的不同，分为刺激电极和记录电极两种：一种是利用电信号激励或抑制神经活动以实现功能性电刺激，将外界的刺激信号(通常为电学信号)转化为神经信号，并通过神经活动将刺激结果反映出来；而另一种正好相反，将神经活动的结果转化为电信号。
制作微电极的材料主要有铂(Pt)、铱(Ir)、银(Ag)、钨(W)等，通过对几种常用材料价格性能的比较，由于铂金和铱的价格较贵，银的化学性能不太理想，综合考虑，选择钨丝作为制作微电极用的材料。
现有的钨丝电极加工工艺都较为复杂，需要一些精密的仪器、机床等，如专利号CN103831492 A所提出的制备圆柱体微细钨丝电极的方法，使用电解液辅助冲击制备圆柱体微细钨丝电极，需要较为精密的仪器设备，而在实验室当中往往不具备此类条件，电极在动物实验中作为耗材，需要大量使用，因此从经济性上考虑，需要一种较为简单、经济的制作方法。而且针对于不同实验应用所需要的电极性能及形状等往往需要自行设计，目前实验中主要采用单电极或电极阵列，单电极应用时需要植入多根，操作不便；电极阵列对脑部伤害较大。现有的钨丝电极不能满足一些实验应用的要求。
发明内容
本发明提供一种植入式针形生物电极的制作方法，主要是解决电极应用中涉及的购买电极费用较为昂贵、制作电极较为困难、制作方法较为复杂、电极用量又较大的问题。
本发明的制作方法如下：
(1)进行钨丝的预处理：将钨丝拉直，使其笔直不弯曲，并保证每个截面上的密度一致，有利于针尖的制作；
(2)制作钨丝电极的针尖：使其截面以圆形为宜，或截面的形状长宽比值接近1；调节直流稳压电源使电压保持恒定，将阴极不锈钢制材质的圆环水平至于电解液中，将钨丝垂直于电解液液面，居圆环中心位置，所述电解液是浓度为2mol/L的氢氧化钾溶液，电压为5.0-8.0V，通电时间30s-60s，温度30℃-40℃。
(3)进行钨丝电极的绝缘处理：对除针尖及非针尖一侧3mm以外的部分进行绝缘处理，绝缘部分长度为1.5cm-2cm，即要保持针体的绝缘，还要使使针尖具有导电性，按照乙醇与聚酰亚胺按2:1体积比配制聚酰亚胺绝缘漆，在电极无尖端一侧空余3mm不涂抹，用来接仪器输出端；电极尖端一侧对针尖不涂抹，其余部位均匀涂抹上述聚酰亚胺绝缘漆，放于烤箱内烘干。
(4)制作双电极：将制作好的三根绝缘钨丝电极平行并列放置，将中间一根尖端部分剪除，其另一端也剪除3cm，使两侧等长电极的尖端被隔开一定距离，另一端超出中间钨丝部位接仪器的输出，再次在原涂抹部位涂抹步骤(3)配置的聚酰亚胺绝缘漆，将三根钨丝粘贴在一起，放于烤箱内烘干，左右两根等长电极针体间相互绝缘，针尖各自导通，组成一个双电极。
(5)电极导电性能及绝缘性测试：选用0.9％生理盐水为电解液(模拟钨丝微电极在生物体内的环境)，将钨丝与直流稳压电源的负极相连作为阴极，不锈钢丝与直流稳压电源的正极相连作为阳极，接通电源后观察钨丝尖端及涂抹绝缘层的地方，如果只有尖端部分产生气泡，则表示电极导电性良好及绝缘成功；如果绝缘层也有气泡产生，则表明绝缘失败。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)双电极的制作能够满足动物机器人中脑电采集或脑部神经刺激的需要，比实验中应用单电极更为方便，比电极阵列对脑部伤害更小。
(2)本发明的电极制作方法简单，选材经济耐用，适合于动物实验。
附图说明
图1为本发明钨丝加热示意简图；
图2为本发明钨丝退火示意简图；
图3为本发明生物电极示意简图。
图中：1、钨丝；2、酒精灯；3、滑轮；4、钨丝固定柱；5、加热拉直后的钨丝；6、下拉重物；7、直流电源；8、电极针尖(导通)；9、绝缘钨丝；10、电极头部导通部位；11、电极针体绝缘部位；
具体实施方式
实施例1
(1)进行钨丝的预处理
如图1所示，将钨丝1两端水平固定，其中一端可以拉伸，另一端固定于固定柱4，用酒精灯2对钨丝1进行均匀加热，同时在可以拉伸的一端用力拉伸，使其在热力作用下改变弯曲度，待其冷却后，截取一段钨丝用标尺测量是否笔直。
然后将拉直后的钨丝5竖直固定，使其处于自然竖直拉伸状态，上端固定，下端悬挂重物6拉伸，进行退火处理，如图2所示，两端用直流电源7通直流电压3V，时间维持5min，这样处理后的钨丝不仅保持笔直而且密度均匀。
(2)制作钨丝电极的针尖
植入电极的截面为圆形，采用在不锈钢钢圈(阴极)中电场的渐变电场原理来制作针尖，电场在中心处强度最大，腐蚀速度最快，顺着钨丝向上，电场的强度便会逐渐减弱，腐蚀的速度就会逐渐减小。
调节直流稳压电源7使电压保持5.0V，将阴极不锈钢制材质的圆环水平至于电解液中，将钨丝垂直于电解液液面，居圆环中心位置，所述电解液为2mol/L氢氧化钾溶液，通电时间30s，温度30℃。
(3)进行钨丝电极的绝缘处理
对除针尖以外的电极部分进行绝缘处理，保持针体的绝缘和针尖的导通，才能达到刺激神经或者记录目标细胞电信号的目的，从而减少对周围组织的破坏，减小干扰，提高数据的准确度。按照乙醇与聚酰亚胺按2:1体积比配制聚酰亚胺绝缘漆，该漆既能很均匀的成膜并吸附在钨丝表面，又能与生物组织有很好的相容性。在电极无尖端一侧空余3mm不涂抹绝缘材料，使其可导电，用来接仪器输出端；电极尖端一侧对针尖8不进行涂抹绝缘材料，其余部位11将上述配制的聚酰亚胺绝缘漆涂抹均匀，绝缘部分长度为1.5cm，放于烤箱内烘干。
(4)制作双电极
将制作好的三根绝缘钨丝电极平行并列放置，将中间一根9尖端部分剪除，使两侧等长电极的尖端被隔开一定距离，另一端10超出中间钨丝3ml左右接仪器的输出，再次涂抹步骤(3)配置的聚酰亚胺绝缘漆，将三根钨丝粘贴在一起，放于烤箱内烘干，左右两根等长电极针体间相互绝缘，针尖各自导通，组成一个双电极(如图3所示)。
(5)检测生物电极的性能
选用0.9％生理盐水为电解液(模拟钨丝微电极在生物体内的环境)，将钨丝与直流稳压电源的负极相连作为阴极，不锈钢丝与直流稳压电源的正极相连作为阳极，接通电源后观察钨丝尖端及涂抹绝缘层的地方，如果只有尖端部分产生气泡，则表示电极导电性良好及绝缘成功；如果绝缘层也有气泡产生，则表明绝缘失败。
实施例2
(1)进行钨丝的预处理
将钨丝两端水平固定，其中一端可以拉伸，另一端固定于固定柱，用酒精灯2对钨丝1进行均匀加热，同时在可以拉伸的一端用力拉伸，使其在热力作用下改变弯曲度，待其冷却后，截取一段钨丝用标尺测量是否笔直。
然后将拉直后的钨丝竖直固定，使其处于自然竖直拉伸状态，上端固定，下端悬挂重物6拉伸，进行退火处理，两端用直流电源7通直流电压3V，时间维持5min，这样处理后的钨丝不仅保持笔直而且密度均匀。
(2)制作钨丝电极的针尖
植入电极的截面形状长宽比值为1，采用在不锈钢钢圈(阴极)中电场的渐变电场原理来制作针尖，电场在中心处强度最大，腐蚀速度最快，顺着钨丝向上，电场的强度便会逐渐减弱，腐蚀的速度就会逐渐减小。
调节直流稳压电源7使电压保持8.0V，将阴极不锈钢制材质的圆环水平至于电解液中，将钨丝垂直于电解液液面，居圆环中心位置，所述电解液为2mol/L氢氧化钾溶液，通电时间60s，温度40℃。
(3)进行钨丝电极的绝缘处理
对除针尖以外的电极部分进行绝缘处理，保持针体的绝缘和针尖的导通，才能达到刺激神经或者记录目标细胞电信号的目的，从而减少对周围组织的破坏，减小干扰，提高数据的准确度。按照乙醇与聚酰亚胺按2:1体积比配制聚酰亚胺绝缘漆，该漆既能很均匀的成膜并吸附在钨丝表面，又能与生物组织有很好的相容性。在电极无尖端一侧空余3mm不涂抹绝缘材料，使其可导电，用来接仪器输出端；电极尖端一侧对针尖不进行涂抹绝缘材料，其余部位将上述配制的聚酰亚胺绝缘漆涂抹均匀，绝缘部分长度为2.0cm，放于烤箱内烘干。
(4)制作双电极
将制作好的三根绝缘钨丝电极平行并列放置，将中间一根尖端部分剪除，使两侧等长电极的尖端被隔开一定距离，另一端超出中间钨丝3ml左右接仪器的输出，再次涂抹步骤(3)配置的聚酰亚胺绝缘漆，将三根钨丝粘贴在一起，放于烤箱内烘干，左右两根等长电极针体间相互绝缘，针尖各自导通，组成一个双电极。
(5)检测生物电极的性能
选用0.9％生理盐水为电解液(模拟钨丝微电极在生物体内的环境)，将钨丝与直流稳压电源的负极相连作为阴极，不锈钢丝与直流稳压电源的正极相连作为阳极，接通电源后观察钨丝尖端及涂抹绝缘层的地方，如果只有尖端部分产生气泡，则表示电极导电性良好及绝缘成功；如果绝缘层也有气泡产生，则表明绝缘失败。

Claims (2)

1.一种植入式针形生物电极制作方法，其特征在于：它包括以下制作步骤：
(1)进行钨丝的预处理：将钨丝拉直，使其笔直不弯曲，并保证每个截面上的密度一致；
(2)制作钨丝电极的针尖：使其截面以圆形为宜，或截面的形状长宽比值接近1；调节直流稳压电源使电压保持恒定，将阴极不锈钢制材质的圆环水平至于电解液中，将钨丝垂直于电解液液面，居圆环中心位置，电压为5.0-8.0V，通电时间30s-60s，温度30℃-40℃；
(3)进行钨丝电极的绝缘处理：对除针尖及非针尖一侧3mm以外的部分进行绝缘处理，绝缘部分长度为1.5cm-2cm，即要保持针体的绝缘，还要使使针尖具有导电性，按照乙醇与聚酰亚胺按2:1体积比配制聚酰亚胺绝缘漆，在电极无尖端一侧空余3mm不涂抹，用来接仪器输出端；电极尖端一侧对针尖不涂抹，其余部位均匀涂抹上述聚酰亚胺绝缘漆，放于烤箱内烘干；
(4)制作双电极：将制作好的三根绝缘钨丝电极平行并列放置，将中间一根尖端部分剪除，其另一端也剪除3cm，使两侧等长电极的尖端被隔开一定距离，另一端超出中间钨丝部位接仪器的输出，再次在原涂抹部位涂抹步骤(3)配置的聚酰亚胺绝缘漆，将三根钨丝粘贴在一起，放于烤箱内烘干，左右两根等长电极针体间相互绝缘，针尖各自导通，组成一个双电极。
2.一种植入式针形生物电极制作方法，其特征在于：所述电解液是浓度为2mol/L的氢氧化钾溶液。
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