CN106073771B - 一种可定制多维度高密度柔性脑部电极及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可定制多维度高密度柔性脑部电极及其制作方法，所述制作方法至少包括：制备触点生物电极；制备微针生物电极；将所述微针生物电极与所述触点生物电极结合，形成多维度复合式脑部电极。所述触点生物电极中以非降解型柔性薄膜为电极支撑层和隔离层，制作获得高密度、高贴服性、可定制的大脑皮层触点生物电极；微针生物电极中以可降解型柔性薄膜为微针和基底材料，将二者集成到一起，组合成多维度复合式生物电极。本发明提供的脑部电极，其脑电信号采样空间分辨率高、采样结果精准、对生物体损害小，可给脑功能探测和研究带来重大突破。
Description
技术领域
本发明属于脑功能探测领域，涉及一种脑部电极及其制作方法，特别是涉及一种可定制多维度高密度柔性脑部电极及其制作方法。
背景技术
脑电监测对于癫痫的诊断和手术定位一直以来都具有不可替代的作用，近年来，随着全世界范围“脑计划”的推出，高质量的脑电信号采集显得愈发重要，将直接有助于脑功能解码，促进一系列以此为基础的高新技术发展，比如：脑机接口、神经调控等。针对脑电信号采集的方法主要依靠脑部电极，目前应用比较广泛的脑部电极包括4种：1)头皮脑电(EEG)；2)皮层脑电(EcoG)；3)皮层微电极(Microelectrode)；4)深度脑电极(SEEG)。这四种电极各具优势，但是也有其应用的局限性，对于神经外科而言，其中应用最多的无疑是皮层脑电(EcoG)，皮层电极可以帮助神经外科医生进行术中的癫痫病灶和脑功能区定位，而且可以应用于“Phase II”的脑电监测，收到神经内外科医生的推崇。相较于头皮脑电其精准性更高，同时又比深部脑电极更便捷和经济，创伤更小。现阶段皮层电极从形状设计上可以分为“网状电极”和“栅状电极”两种，从电极密度上有多重规格：6导联、8导联、12导联、16导联、32导联和64导联。
然而由于电极材料的限制，目前广泛使用的皮层电极存在许多不足之处，包括：1、电极片质地硬，与大脑皮层的贴服性差，直接导致信号采集的丢失；2、电极密度偏低，中国市场暂无128导联和256导联的电极应用于临床，无法获得高质量反映空间和时间的脑电信号；3、采集的信号尚不够精细，无法反映神经元水平的电活动，不能探及电活动的传导通路。在现实生活中，由于癫痫网络和人脑网络的复杂性，常规的皮层电极无疑是脑功能探测和研究的瓶颈，研发一种新型的皮层电极，具备“高密度”、“复合式”、“贴服好”、“个体化”等特性，是突破瓶颈的关键。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可定制多维度高密度柔性脑部电极及其制作方法，用于解决现有技术中脑部电极质地硬、帖服性差、密度低以及采集信号不够精确等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种可定制多维度高密度柔性脑部电极的制作方法，所述制作方法至少包括：
制备触点生物电极；
制备微针生物电极；
将所述微针生物电极与所述触点生物电极结合，形成多维度复合式脑部电极。
优选地，所述制备触点生物电极的过程为：
1-1)提供一基底，在所述基底表面生长牺牲层；
1-2)在所述牺牲层表面形成电极支撑层；
1-3)在所述电极支撑层表面生长电极材料层，并图形化所述电极材料层形成电极结构，所述电极结构包括电极和与所述电极电连的引线结构；
1-4)在所述步骤1-3)的结构表面旋涂电极隔离层，并图形化所述电极隔离层暴露出所述电极；
1-5)重复所述步骤1-3)和1-4)，形成多层电极结构，各层引线结构由电极隔离层隔离；
1-6)网格化所述电极支撑层和电极隔离层，再释放所述牺牲层，获得触点生物电极。
优选地，所述电极支撑层为非降解型柔性薄膜材料，所述电极隔离层为非导电型柔性薄膜材料。
优选地，所述电极材料层为延展性好且对人体无害的金属。
优选地，所述电极支撑层的厚度为0.1～1000μm。
优选地，每一层电极隔离层的厚度为0.01～100μm。
优选地，所述电极结构的层数为1～100层。
优选地，所述电极结构既可用于刺激产生脑电信号，也可用于探测脑电信号。
优选地，所述制备微针生物电极的过程为：
2-1)提供第一衬底，在所述第一衬底表面生长介质层，刻蚀所述介质层和衬底，形成微针孔；
2-2)在所述微针孔和介质层表面浇注可降解型柔性材料，并固化，形成具有微针的柔性薄膜基底；
2-3)将所述具有微针的柔性薄膜基底与所述介质层分离，并将柔性薄膜基底粘附至第二衬底上；
2-4)在所述柔性薄膜基底表面生长金属材料层，图形化所述金属材料层，形成微针电极和与所述微针电极电连的微针引线结构；
2-5)在所述步骤2-4)的结构表面旋涂绝缘层，并图形化暴露出所述微针电极；
2-6)去除所述第二衬底，获得微针生物电极。
优选地，所述步骤2-5)中，绝缘层为非导电型柔性薄膜材料。
优选地，所述柔性薄膜基底的厚度为1μm～10mm。
优选地，所述微针长度为10μm～2mm。
优选地，通过机械或化学方法以一定的对准方式将所述微针生物电极与所述触点生物电极结合，形成多维度复合式脑部电极。
优选地，将所述微针生物电极中微针和所述触点生物电极中的网格对准粘合，从而将所述微针生物电极与所述触点生物电极结合，形成多维度复合式脑部电极。
本发明还提供一种利用上述制作方法制作形成的可定制多维度高密度柔性脑部电极，所述脑部电极至少包括：触点生物电极和与所述触点生物电极结合的微针生物电极。
优选地，所述触点生物电极包括：
电极支撑层；
形成于所述电极支撑层表面的多层电极结构，所述电极结构包括电极和与所述电极电连的引线结构；
电极隔离层，隔离在多层引线结构之间；
网格，自上而下贯穿所述电极支撑层和所述电极隔离层。
优选地，所述微针生物电极包括：
具有微针的柔性薄膜基底；
形成在所述柔性薄膜基底表面的微针电极和与所述微针电极电连的微针引线结构；
绝缘层，形成在所述柔性薄膜基底和微针引线结构表面。
优选地，所述微针生物电极中的微针和所述触点生物电极中的网格对准结合。
如上所述，本发明的一种可定制多维度高密度柔性脑部电极及其制作方法，具有以下有益效果：
1、通过柔性薄膜材料层，使脑电极能跟沟壑纵横、弧形不平的大脑皮层紧密贴合以最大限度地降低测量误差。
2、通过多层电极结构，形成高密度的电极布线，该高密度的脑电极分布解决了大脑皮层电信号采集潜在的空间欠采样问题。
3、实现了大脑皮层跟颅内电信号的同步、对照检测，从而进一步地甄别剔除伪信号，并且解析脑电传导通路，可给脑功能探测和研究带来重大突破，极具现实意义。
附图说明
图1a～9b为本发明可定制多维度高密度柔性脑部电极的制作方法中制备触点生物电极的结构流程示意图。
图10a～15b为本发明可定制多维度高密度柔性脑部电极的制作方法中制备微针生物电极的结构流程示意图。
图16为本发明可定制多维度高密度柔性脑部电极的制作方法中微针生物电极与触点生物电极结合的结构示意图。
图17～19为本发明的柔性脑部电极的应用结构示意图。
元件标号说明
1 触点生物电极
11 基底
12 牺牲层
13 电极支撑层
14 第一层电极结构
141 第一层电极
142 第一层引线结构
15 第一层隔离层
16 第二层电极结构
161 第二层电极
162 第二层引线结构
17 第二层隔离层
18 网格
2 微针生物电极
21 第一衬底
22 介质层
23 微针孔
24 微针
25 柔性薄膜基底
26 第二衬底
27 微针电极
28 微针引线结构
29 绝缘层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明提供一种可定制多维度高密度柔性脑部电极的制作方法，所述制作方法至少包括如下步骤：制备触点生物电极；制备微针生物电极；将所述微针生物电极与所述触点生物电极结合，形成多维度复合式脑部电极。
以下通过具体附图来详细说明本发明的可定制多维度高密度柔性脑部电极的制作方法。其中，1a～15a、16均为剖视图，1b～15b均为俯视图。
首先执行步骤一，请参阅附图1a～9b，制备触点生物电极。
本步骤中，制备所述触点生物电极的具体过程为：
1-1)如图1a～2b所示，提供一基底11，在所述基底11表面生长牺牲层12。
本实施例中，选取硅片作为基底11，并采用清洗液(如浓H2SO4)对硅片进行清洗，之后采用PECVD在所述硅片基底11表面生长2μm磷硅玻璃作为牺牲层12。在其他实施例中，所述基底11和牺牲层12还可以选择其他合适的材料，在此不做限制。
1-2)如图3a～3b所示，在所述牺牲层12表面形成电极支撑层13。
本步骤中，所述电极支撑层13为非降解型柔性薄膜材料。本实施例中，可以在所述牺牲层12表面旋涂聚酰亚胺作为电极支撑层13。当然，在其他实施例中，电极支撑层13也可以是其他合适的非降解型柔性薄膜材料，在此不限。
作为示例，所述电极支撑层13的厚度为0.1～1000μm。本实施例中，所述电极支撑层13的厚度暂选为1μm。在其他实施例中，所述电极支撑层13的厚度还可以5μm、10μm、20μm、50μm、100μm、120μm、500μm、800μm等。
1-3)如图4a～4b所示，在所述电极支撑层13表面生长电极材料层，并图形化所述电极材料层形成电极结构，所述电极结构包括电极和与所述电极电连的引线结构。
所述电极材料层选择延展性好且对人体无害的金属。本实施例中，溅射100nm的金作为电极材料层。在其他实施例中，也可以采用其他合适的金属导电材料作为电极材料。
需要说明的是，若需要制作多层电极结构，则此步骤所制作的电极结构可以定义为第一层电极结构14，包括第一层电极141和与所述第一层电极141电连的第一层引线结构142。其中，电极可以直接与电脑皮层接触，引线结构则用于连接电极和外界各类设备。整个电极结构既可用于刺激产生脑电信号，也可用于探测脑电信号。
所述电极141的形成可定制，即所述电极141的形状可以根据需要为任何合适的形状。所述电极141的分布密度可定制，即所述电极141的分布密度可根据需要进行调整。
1-4)如图5a～5b所示，在所述步骤1-3)的结构表面旋涂电极隔离层15，并图形化所述电极隔离层15暴露出所述电极141。
所述电极隔离层15为非导电型柔性薄膜材料。本实施例中，可以旋涂聚酰亚胺作为电极隔离层15。当然，在其他实施例中，电极隔离层15也可以是其他合适的非导电型柔性薄膜材料，在此不限。
作为示例，所述电极隔离层15的厚度为0.01～100μm。本实施例中，所述电极隔离层15的厚度暂选为0.3μm。在其他实施例中，所述电隔离层15的厚度还可以0.8μm、1μm、5μm、15μm、30μm、50μm、85μm等。
所述电极隔离层15用于隔离各层电极结构中的引线结构，电极隔离层在图形化过程中开出电极窗口，仅露出电极结构中的电极。
需要说明的是，若需要制作多层电极结构，则本步骤的电极隔离层15可以定义为第一层电极隔离层15。该第一层电极隔离层15上则依次为第二层电极结构、第二层电极隔离层，第三层电极结构、第四层电极隔离层依次类推。
1-5)重复所述步骤1-3)和1-4)，形成多层电极结构，各层引线结构由电极隔离层隔离。
所述电极结构的层数优选为1～100层。本实施例中，所述电极结构的层数为2。如图6a～6b所示，形成第二电极结构16，所述第二电极结构16包括第二电极161和与所述第二电极161电连的第二引线结构162。如图7a和7b所示，再形成第二电极隔离层17。当然，所述第二电极隔离层17需将两层接触电极暴露出来，仅覆盖引线结构即可。
1-6)请参阅附图8a～9b，网格化所述电极支撑层13和电极隔离层15、17，再释放所述牺牲层12，获得触点生物电极1。
如图8a和8b所示，将所述电极支撑层13和电极隔离层15、17网格化，自上而下形成贯通的网格18。
如图9a和9b所示，释放所述牺牲层12后，所述牺牲层12被腐蚀掉，所述硅片基底11脱离，剩下图9a和9b所示的结构即为触点生物电极1。
然后执行步骤二，请参阅附图10a～15b，制备微针生物电极。
本步骤中，制备所述微针生物电极的具体过程为：
2-1)如图10a和10b所示，提供第一衬底21，在所述第一衬底21表面生长介质层22，刻蚀所述介质层22和衬底21，形成微针孔23。
本实施例中，选取(100)硅片作为第一衬底21，然后利用LPCVD工艺在所述第一衬底21表面生长介质层22。所述介质层22的材料可以是氮化硅或二氧化硅等。本实施例中，在所述第一衬底21表面生长厚度为3000埃的氮化硅作为介质层22。
刻蚀所述介质层22和衬底21以形成微针孔23的工艺可以采用标准MEMS加工工艺制造。
所述微针孔23的形状根据需要可定制，本实施例中，将所述微针孔23制作成锥形孔。微针孔23的数量和形状最好与步骤一中的网格18数量和形状匹配。
2-2)如图11a和11b所示，在所述微针孔23和介质层22表面浇注可降解型柔性材料，并固化，形成具有微针24的柔性薄膜基底25。
本步骤中，浇注的可降解型柔性材料优选为蚕丝蛋白溶液，固化后，在所述微针孔23和介质层22表面形成蚕丝蛋白微针24和基底25。
作为示例，所述柔性薄膜基底25的厚度为1μm～10mm。本实施例中，所述柔性薄膜基底25的厚度暂选为0.5mm。
作为示例，所述微针24长度为10μm～2mm。本实施例中，所述微针24长度暂选为1mm。
2-3)将所述具有微针24的柔性薄膜基底25与所述介质层22分离，并将柔性薄膜基底25粘附至第二衬底26上。
如图12a和12b所示为去掉介质层22和第一衬底21后的具有微针24的柔性薄膜基底25。所述微针24的形状为四棱锥结构。
如图13a和13b所示，将柔性薄膜基底25的另一表面(无微针的一面)粘附至第二衬底26上。本实施例中，选择硅片作为所述第二衬底26。
2-4)如图13a和13b所示，在所述柔性薄膜基底25表面生长金属材料层，图形化所述金属材料层，形成微针电极27和与所述微针电极27电连的微针引线结构28。
本实施例中，溅射500nm的金作为所述金属材料层。图形化所述金属材料层之后，形成的微针电极27覆盖在所述微针24表面。
2-5)如图14a和14b所示，在所述步骤2-4)的结构表面旋涂绝缘层29，并图形化暴露出所述微针电极27。
所述绝缘层29为非导电型柔性薄膜材料。本实施例中，可以旋涂1μm的聚酰亚胺薄膜作为绝缘层29。当然，在其他实施例中，所述绝缘层29也可以是其他合适的非导电型柔性薄膜材料，在此不限。
2-6)去除所述第二衬底26，获得微针生物电极2。
如图15a和15b所示，为去除第二衬底26后的结构，该结构为微针生物电极2。
需要说明的是，步骤一和步骤二没有先后顺序之分，在其他实施例中，也可以先制作微针生物电极2，再制备触点生物电极1。
最后执行步骤三，如图16所示，将所述微针生物电极2与所述触点生物电极1结合，形成多维度复合式脑部电极。
通过机械或化学方法通过粘结剂以一定的对准方式将所述微针生物电极2与所述触点生物电极1结合，形成多维度复合式脑部电极。
本实施例中，如图16所示，将所述微针生物电极2中微针24和所述触点生物电极1中的网格18对准粘合，从而将所述微针生物电极2与所述触点生物电极1结合，形成多维度复合式脑部电极。
另外，本发明还提供一种可定制多维度高密度柔性脑部电极，该脑部电极由上述制作方法制作获得。如图16所示，所述脑部电极至少包括触点生物电极1和与所述触点生物电极1结合的微针生物电极2。
具体地，所述触点生物电极1包括如下结构：电极支撑层、多层电极结构、电极隔离层以及网格。
所述多层电极结构形成于所述电极支撑层表面，所述电极结构包括电极和与所述电极电连的引线结构。所述电极隔离层则隔离在多层引线结构之间；所述网格自上而下贯穿所述电极支撑层和所述电极隔离层。
具体地，所述微针生物电极2包括：具有微针的柔性薄膜基底、微针电极、微针引线结构以及绝缘层。
所述微针电极和微针引线结构电连，并且所述微针电极和微针引线结构形成在所述柔性薄膜基底表面。所述绝缘层形成在所述柔性薄膜基底和微针引线结构表面。本实施例中，所述微针及柔性薄膜基底均选择可降解的蚕丝蛋白。
具体地，所述微针生物电极2中微针和所述触点生物电极1中的网格对准结合。
本实施例通过上述制作方法制作获得可定制多维度高密度柔性蚕丝蛋白脑部电极，可以实现对人体脑电信号的精准采样和纵向多维度测量。人脑是人体最复杂、最重要的一个部位，精确地采集人体脑电信号，是分析和研究人体脑功能的一种重要方法，其将为现代医学提供一种极其有价值的检验手段，对人类的健康有着极其重大的意义。
该多维度高密度柔性蚕丝蛋白脑部电极的工作原理如下：通过大脑皮层触点生物电极跟大脑皮层的接触，实时采集皮层脑电信号；同时通过微针生物电极刺入皮层以下，定点采集皮层下的脑电信号，并与皮层脑电信号对比，甄别剔除伪信号，并且解析脑电传导通路。
本实施例获得的复合式生物脑部电极的应用过程如附图17～图19所示，将该复合式生物电极31紧密贴附到大脑皮层30，并用合适的力道将复合式生物电极31中的微针生物电极2刺入皮层中(如附图17)，再用适量生理盐水32溶解微针生物电极2中的蚕丝蛋白基底(如附图18和图19所示)，进一步调整触点生物电极跟大脑皮层的贴附性。附图19中的33表示为溶解掉蚕丝蛋白基底的复合生物电极。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (16)
1.一种可定制多维度高密度柔性脑部电极的制作方法，其特征在于，所述制作方法至少包括：
制备触点生物电极；
制备微针生物电极；
将所述微针生物电极与所述触点生物电极结合，形成多维度复合式脑部电极；
所述制备触点生物电极的过程为：
1-1)提供一基底，在所述基底表面生长牺牲层；
1-2)在所述牺牲层表面形成电极支撑层；
1-3)在所述电极支撑层表面生长电极材料层，并图形化所述电极材料层形成电极结构，所述电极结构包括电极和与所述电极电连的引线结构；
1-4)在所述步骤1-3)的结构表面旋涂电极隔离层，并图形化所述电极隔离层暴露出所述电极；
1-5)重复所述步骤1-3)和1-4)，形成多层电极结构，各层引线结构由电极隔离层隔离；
1-6)网格化所述电极支撑层和电极隔离层，再释放所述牺牲层，获得触点生物电极；
所述制备微针生物电极的过程为：
2-1)提供第一衬底，在所述第一衬底表面生长介质层，刻蚀所述介质层和衬底，形成微针孔；
2-2)在所述微针孔和介质层表面浇注可降解型柔性材料，并固化，形成具有微针的柔性薄膜基底；
2-3)将所述具有微针的柔性薄膜基底与所述介质层分离，并将柔性薄膜基底粘附至第二衬底上；
2-4)在所述柔性薄膜基底表面生长金属材料层，图形化所述金属材料层，形成微针电极和与所述微针电极电连的微针引线结构；
2-5)在所述步骤2-4)的结构表面旋涂绝缘层，并图形化暴露出所述微针电极；
2-6)去除所述第二衬底，获得微针生物电极；
所述微针和柔性薄膜基底的材料为蚕丝蛋白。
2.根据权利要求1所述的可定制多维度高密度柔性脑部电极的制作方法，其特征在于：所述电极支撑层为非降解型柔性薄膜材料，所述电极隔离层为非导电型柔性薄膜材料。
3.根据权利要求1所述的可定制多维度高密度柔性脑部电极的制作方法，其特征在于：所述电极材料层为延展性好且对人体无害的金属。
4.根据权利要求1所述的可定制多维度高密度柔性脑部电极的制作方法，其特征在于：所述电极支撑层的厚度为0.1～1000μm。
5.根据权利要求1所述的可定制多维度高密度柔性脑部电极的制作方法，其特征在于：每一层电极隔离层的厚度为0.01～100μm。
6.根据权利要求1所述的可定制多维度高密度柔性脑部电极的制作方法，其特征在于：所述电极结构的层数为1～100层。
7.根据权利要求1所述的可定制多维度高密度柔性脑部电极的制作方法，其特征在于：所述电极结构既可用于刺激产生脑电信号，也可用于探测脑电信号。
8.根据权利要求1所述的可定制多维度高密度柔性脑部电极的制作方法，其特征在于：所述步骤2-5)中，绝缘层为非导电型柔性薄膜材料。
9.根据权利要求1所述的可定制多维度高密度柔性脑部电极的制作方法，其特征在于：所述柔性薄膜基底的厚度为1μm～10mm。
10.根据权利要求1所述的可定制多维度高密度柔性脑部电极的制作方法，其特征在于：所述微针长度为10μm～2mm。
11.根据权利要求1所述的可定制多维度高密度柔性脑部电极的制作方法，其特征在于：通过机械或化学方法以一定的对准方式将所述微针生物电极与所述触点生物电极结合，形成多维度复合式脑部电极。
12.根据权利要求11所述的可定制多维度高密度柔性脑部电极的制作方法，其特征在于：将所述微针生物电极中微针和所述触点生物电极中的网格对准粘合，从而将所述微针生物电极与所述触点生物电极结合，形成多维度复合式脑部电极。
13.一种利用如权利要求1～12任一项所述制作方法制作形成的可定制多维度高密度柔性脑部电极，其特征在于，所述脑部电极至少包括：触点生物电极和与所述触点生物电极结合的微针生物电极。
14.根据权利要求13所述的脑部电极，其特征在于：所述触点生物电极包括：
电极支撑层；
形成于所述电极支撑层表面的多层电极结构，所述电极结构包括电极和与所述电极电连的引线结构；
电极隔离层，隔离在多层引线结构之间；
网格，自上而下贯穿所述电极支撑层和所述电极隔离层。
15.根据权利要求14所述的脑部电极，其特征在于：所述微针生物电极包括：
具有微针的柔性薄膜基底；
形成在所述柔性薄膜基底表面的微针电极和与所述微针电极电连的微针引线结构；
绝缘层，形成在所述柔性薄膜基底和微针引线结构表面。
16.根据权利要求15所述的脑部电极，其特征在于：所述微针生物电极中的微针和所述触点生物电极中的网格对准结合。
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