CN105250073B - 一种设有多个金属镀层的导电光纤生物电极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种设有多个金属镀层的导电光纤生物电极及其制备方法，它是在纤芯的外侧设有包层，包层的左右侧设有左右两个金属镀层，金属镀层的外侧设有绝缘层。本发明采用真空镀膜技术，在单根光纤上通过两次金属镀膜在光纤上先后制备两个导电金属电极，工艺制作简单，性能可靠，既能导电又能导光，兼具电流触发和激光触发的双重功能，还可根据需要在单根光纤上制备多个金属镀层，供临床研究使用。

Description

一种设有多个金属镀层的导电光纤生物电极及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种导电光纤，确切的说是一种在单根光纤上设置多个导电镀层的导电光纤及制备方法，可用于神经学提供导电导光功能。

背景技术

光纤是一种导体，其主要功能是导光，也就是将光信号传输到所需的位置。光纤传输的距离不仅远，而且还同时具有一定的可集成性能，在光子生物学中得到越来越多的应用。最近几年，人们开始使用光纤传导激光脉冲，触发各类神经组织产生神经反应。其原理主要是利用光物理和光化学等作用引起神经细胞膜的特定变化，从而开启细胞膜离子通道，引发神经反应。利用激光触发神经反应的研究刚刚起步，还处于研究阶段，具有很好的应用前景。因此得到了人们越来越多的重视。

相对于激光触发神经，电流触发神经的研究比较成熟，部分研究成果已经成功应用到临床医学中。比如，目前临床上植入的人工耳蜗，就是利用在耳蜗中植入导电电极，利用电流脉冲刺激耳蜗内的螺旋神经节细胞产生听觉。另外，利用电刺激治疗，在医学上也得到临床使用。

电流触发和激光触发两种方案分别具有各自不同的优点和缺点。比如，电流触发的研究比较成熟，触发机理明确，可以有效控制。但是在介质中电流具有不可避免的扩散特性，从而限制了电流触发的分辨率。激光具有很好的方向性，介质中扩散效应较小，能精确聚焦，具有较高的分辨率。但两者触发的机理不同。比如在耳蜗内，电流触发的是螺旋神经节细胞，而激光触发的是耳蜗内残留的具有听觉功能的部分毛细胞。因此开发一种既能用电流触发，又能用激光触发的装置，有助于人们综合利用两者触发优势获得更有效的神经触发。因此急需一种既能导电，又能导光的装置，特别是在单根光纤制备正极和负极两个电极。

目前在光纤外皮层镀膜工艺中，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，以获得导电性。这些方法虽然可以制备良好导电、导光特性的光纤，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三种。

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。

第三种是中国专利号201410834086.6，一种导电、导光的人工耳蜗电极及其制备技术。该发明主要是在光纤外表面上涂覆一定厚度的纳米银浆，在500度左右的烤炉中烧结成导电涂层的方法。该方法不需要真空设备，无污染，性能可靠，适合制备不同长度的导电光纤。

上述三种方案都可以在光纤上制备导电薄膜，其不足之处在于这些方案制备的导电薄膜都是均匀的涂覆在光纤外表面却不能导通。也就是说，如果想实现导电功能，往往还需要另外再配一根电极实现电流回路。如增加另外一个电极会引起较大的电流扩散，空间分辨率也会受到一定限制。而在单根光纤表面上制备两个独立的电极，则两者就可以构成电流回路，对神经组织进行较高分辨的电流触发。

发明内容

因此，人们对设有多个金属镀层的导光光纤存在极大的需求，目前为止，还没有发现关于本发明的有关报道，本发明人经过反复的研究、试验，终于成功的研制出设有多个金属电极的导电光纤，从而完成了本发明。

本发明的目的就是提供了一种在光纤表面上分别制备两个或多个独立导电电极的制备方法，使单根光纤既具备激光触发功能，又具备电流触发功能，为生物学、神经科学研究和未来临床应用提供更大便利。

本发明的方案是由纤芯、包层、金属镀层及绝缘层组成，其结构特点是在纤芯的外侧设有包层，包层的左右侧设有左右两个金属镀层，金属镀层的外侧设有绝缘层。

本发明采用真空镀膜技术，在单根光纤上通过两次金属镀膜在光纤上先后制备两个导电金属电极，工艺制作简单，性能可靠，既能导电又能导光，兼具电流触发和激光触发的双重功能，还可根据需要在单根光纤上制备多个金属镀层，供基础医学研究和临床研究使用。

下面结合附图作进一步详细说明。

附图说明

图1为导电光纤排列镀膜示意图；

图2为导电光纤第一次喷镀示意图；

图3为导电光纤纵向观察示意图；

图4为导电光纤的横截面结构示意图。

具体实施方式

图1-2中示出的光纤1排列固定在硅片或玻璃载玻片2上，光纤下侧的金属蒸汽束由下向上喷射在光纤的下侧面，获得金属镀层3。

图3-4中示出的纤芯4的外侧设有包层5，包层的左右两侧分别喷涂有左右两个金属镀层3，金属镀层的外侧喷涂有硅胶绝缘层6。

本发明利用真空镀膜技术在光纤外表面上分别制备两条厚度和宽度可控的金属镀膜。能与神经组织一起构成回路，起到电流刺激神经反应的作用，其制备方法步骤如下：

1、光纤表层的处理

用光纤钳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100℃干燥5-20分钟。最后使用浓度为1%的氨基硅烷KH-550溶液浸泡光纤20-30分钟，在恒温箱中100℃干燥处理5-20分钟后备用；

2、光纤的排列固定

借助显微镜观察，将数根表面清洗过的待镀膜光纤，按照光纤的半径设定间距，依次排列在硅片上或者玻璃载玻片上，（即当光纤的半径为250微米时，将光纤之间的间距设置为250微米，同时将夹持光纤的硅片或玻璃载玻片相对水平面的倾斜设置为80度角，则在光纤前表面上获得80微米宽的导电涂层）。再将光纤的两端用两块硅片或玻璃载玻片分别夹持固定；

3、第一次镀膜：

将上述排列好的光纤放置在真空镀膜室内抽真空，抽取真空后，再采用真空热镀或磁控溅射方法，由下向上喷射金属蒸汽束，利用光纤自身可以有效阻挡金属蒸汽，在面对蒸汽源的光纤前表面上获得金属镀膜导电层，而被光纤前表面遮挡的后表面则没有镀膜。镀膜时，调整硅片或载玻片的倾角，能有效控制金属镀膜宽度。控制镀膜时间，可以有效控制镀膜厚度。通过该方法，可以在光纤一侧获得18-25微米厚度的金属导电镀膜，即为在光纤侧面上的导电电极。镀膜时间根据镀膜厚度的要求可以预先设定为5-30分钟

4、第二次镀膜：

绕光纤轴线，将上述一侧镀膜后的光纤分别旋转180度，按照第2步的方法重新排列在硅片或者载玻片上。这样，就将另一侧需要镀膜的光纤表面暴露出来。然后置入真空室，采取第3步的镀膜方法，在光纤表面获得另一条金属导电镀膜；

5、绝缘涂层，采用上述喷镀步骤，最后在光纤侧面及圆周上涂覆一层硅胶，起到绝缘作用，以提升光纤的生物相容性能。

所述的金属蒸汽束，是指在真空镀膜的系统工艺中，通过热蒸发或磁控溅射技术产生的金属原子的蒸汽。该蒸汽离开喷嘴后，呈束状向上方喷射，遇到光纤，则沉积在光纤表面，形成金属镀膜层。

所述的玻璃载玻片是指表面非常水平的玻璃片，一般用于光学显微镜中使用，本发明中用于光纤的镀膜排列。

Claims (4)

1.一种设有多个金属镀层的导电光纤生物电极，由纤芯、包层、金属镀层及绝缘层组成，其特征在于：纤芯（4）的外侧设有包层（5），包层的左右两侧设有左右两个金属镀层（3），金属镀层的外侧设有绝缘层（6），金属镀层导电光纤生物电极的制备步骤如下：

①、光纤表层的处理

用光纤钳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100℃干燥5-20分钟，最后使用浓度为1%的氨基硅烷溶液浸泡光纤20-30分钟，在恒温箱中100℃干燥处理5-20分钟；

②、光纤的排列固定

将表面清洗过的待镀膜光纤，按照光纤的半径设定间距，依次排列在硅片上或者玻璃载玻片上，再将光纤的两端用两块硅片或玻璃载玻片分别夹持固定；

③、第一次镀膜

将上述排列好的光纤放置在真空镀膜室内抽真空，抽取真空后，再采用真空热镀或磁控溅射方法，由下向上喷射金属蒸汽束，利用光纤自身有效阻挡金属蒸汽，在面对蒸汽源的光纤前表面上获得18-25微米厚度的金属镀膜导电层，而被光纤前表面遮挡的后表面则没有镀膜；

④、第二次镀膜

绕光纤轴线，将上述一侧镀膜后的光纤分别旋转180度，按照第2步的方法重新排列在硅片或者载玻片上，这样，就将另一侧需要镀膜的光纤表面暴露出来，然后置入真空室，采取第3步的镀膜方法，在光纤表面获得另一条金属导电镀膜，

⑤、绝缘涂层，采用上述喷镀步骤，最后在光纤侧面及圆周上涂覆一层硅胶，起到绝缘作用。

2.一种设有多个金属镀层的导电光纤生物电极的制备方法，其特征在于：它包括下列步骤：

①、光纤表层的处理

用光纤钳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100℃干燥5-20分钟，最后使用浓度为1%的氨基硅烷溶液浸泡光纤20-30分钟，在恒温箱中100℃干燥处理5-20分钟；

②、光纤的排列固定

将表面清洗过的待镀膜光纤，按照光纤的半径设定间距，依次排列在硅片上或者玻璃载玻片上，再将光纤的两端用两块硅片或玻璃载玻片分别夹持固定；

③、第一次镀膜

将上述排列好的光纤放置在真空镀膜室内抽真空，抽取真空后，再采用真空热镀或磁控溅射方法，由下向上喷射金属蒸汽束，利用光纤自身有效阻挡金属蒸汽，在面对蒸汽源的光纤前表面上获得18-25微米厚度的金属镀膜导电层，而被光纤前表面遮挡的后表面则没有镀膜；

④、第二次镀膜

绕光纤轴线，将上述一侧镀膜后的光纤分别旋转180度，按照第2步的方法重新排列在硅片或者载玻片上，这样，就将另一侧需要镀膜的光纤表面暴露出来，然后置入真空室，采取第3步的镀膜方法，在光纤表面获得另一条金属导电镀膜，

⑤、绝缘涂层，采用上述喷镀步骤，最后在光纤侧面及圆周上涂覆一层硅胶，起到绝缘作用。

3.根据权利要求2所述的设有多个金属镀层的导电光纤生物电极的制备方法，其特征在于：所述光纤的半径设定间距，为当光纤的半径为250微米时，将光纤之间的间距设置为250微米，同时将夹持光纤的硅片或玻璃载玻片相对水平面的倾斜设置为80度角，则在光纤前表面上获得80微米宽的导电涂层，根据需要，按照本方法，在单根光纤上制备多个导电镀层。

4.根据权利要求2所述的设有多个金属镀层的导电光纤生物电极的制备方法，其特征在于：镀膜时，调整硅片或载玻片的倾角，能有效控制金属镀膜宽度，控制镀膜时间，能有效控制镀膜厚度，通过该方法，能在光纤一侧获得18-25微米厚度的金属导电镀膜，即为光纤侧面上的导电电极。