CN106082113A - 一种利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法 - Google Patents

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孙滨
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Abstract

本发明公开了一种利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法，所述方法包括如下步骤：在电极的表面形成掩膜层；所述掩膜层上具有若干个贯穿所述掩膜层的空隙；通过在所述掩膜层上沉积金属层，在所述空隙内形成与所述电极的表面连接的金属点；去除所述掩膜层以及所述掩膜层上的金属层，使得所述金属点暴露出来。本发明通过掩膜在电极表面制得三维金属微结构，既能与组织界面紧密接触，又能获得较好的机械强度。

Description

一种利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法
技术领域
本发明涉及生物医学工程领域，尤其涉及一种利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法。
背景技术
人造视网膜系统可帮助由于老年黄斑变性(AMD)和视网膜色素炎(RP)等视网膜病变引起的致盲患者恢复部分视力。为提高人造视网膜系统的分辨率，要求电极更高密度，这会导致刺激电极表面积降低。刺激电极表面积降低会增加电极的电化学阻抗，使得电极的极化随之增大，影响电荷注入能力，无法达到刺激阈值，并且在通过相同幅值电流脉冲的情况下，不仅会增大刺激器能耗，缩短其寿命，还会对电刺激的安全性造成较大威胁。因此，需要增大电极的比表面积，降低电化学阻抗，进而提高电荷注入能力，达到刺激阈值，完成有效刺激。
对高密度电极表面进行三维微结构修饰能够有效增加电极比表面积，提高电荷注入能力。
美国第二视觉医疗器材公司(Second Sight Medical Products)的Zhou等人公开的发明专利(美国专利公开号6974533，专利名称为“Platinum electrode and method formanufacturing the same”)中，提出一种增加电极比表面积的方法，具体是在电镀过程中在Pt电极表面进行了微孔处理，增加比表面积，进而增大了双电层电容效应，同时具备较好的机械性能。此外，澳大利亚墨尔本大学的Duan等人通过电位脉冲氧化还原的方式对Pt电极进行了多孔化处理，得到了比较大的比表面积，且与铂黑电极相比具有更好的机械完整性。但是在电极表面进行多孔化处理不利于电极与组织界面的紧密接触。
经过现有的技术文献检索发现，一些学者在电极表面用碳纳米管、石墨烯进行修饰(WenwenY等在《Nanotechnology》2015,26(12):125301-125309(9)撰文“A flexible andimplantable microelectrode arrays using high-temperature grown verticalcarbon nanotubes and a biocompatible polymer substrate”，David-Pur M等在《Biomedical Microdevices》2014,16(1):43-53撰文“All-carbon-nanotube flexiblemulti-electrode array for neuronal recording and stimulation”)，通过碳纳米管、石墨烯等大的比表面积的材料修饰电极，这样也可以增加电极的双电层电容，但是机械稳定性不如多孔化处理的电极，不适合长期植入。
可见，现有的电极表面微结构修饰的方法，大都是对电极表面进行多孔化处理或用碳纳米管、石墨烯修饰，但多孔化处理不利于电极与组织界面紧密接触，碳纳米管、石墨烯修饰也存在机械强度稳定性不佳的问题。
发明内容
本发明实施例提出一种利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法，通过掩膜在电极表面制得三维金属微结构，既能与组织界面紧密接触，又能获得较好的机械强度。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)在电极的表面形成掩膜层；所述掩膜层上具有若干个贯穿所述掩膜层的空隙；
(2)通过在所述掩膜层上沉积金属层，在所述空隙内形成与所述电极的表面连接的金属点；
(3)去除所述掩膜层以及所述掩膜层上的金属层，使得所述金属点暴露出来。
作为更优选地，所述空隙以阵列状分布在所述掩膜层上。
作为更优选地，所步骤(1)具体包括：
在电极的表面旋涂光刻胶作为掩膜层；
利用光刻工艺在所述掩膜层上形成若干个贯穿所述掩膜层的空隙。
作为更优选地，所述利用光刻工艺在所述掩膜层上形成若干个贯穿所述掩膜层的空隙具体为利用紫外光在所述掩膜层上形成若干个贯穿所述掩膜层的空隙。
作为更优选地，所述光刻胶为负光刻胶。
作为更优选地，所述光刻胶的厚度为1.5～2.5微米；所述金属层的厚度为150～250纳米。
作为更优选地，所述利用光刻工艺在所述掩膜层上形成若干个贯穿所述掩膜层的空隙具体为利用电子束在所述掩膜层上形成若干个贯穿所述掩膜层的空隙。
作为更优选地，所述光刻胶的厚度为8～12微米；所述金属层的厚度为150～250纳米。
作为更优选地，步骤(3)具体是通过丙酮溶解法去除所述掩膜层以及所述掩膜层上的金属层。
作为更优选地，步骤(1)具体为在电极的表面形成若干个相同大小且紧密排列的小球作为掩膜层；步骤(2)具体为通过在由若干个小球组成的掩膜层上沉积金属层，在所述小球间的空隙内形成与所述电极的表面连接的金属点；步骤(3)具体为去除所述电极上所有的小球以及所述小球上的金属层，使得所述金属点暴露出来。
作为更优选地，步骤(1)具体包括：
提供含有若干个相同大小且紧密排列的小球的悬浊液；
将所述悬浊液置于所述电极的表面并自然干燥，使所述若干个小球均匀且紧密排列地分布在所述电极的表面；
加热所述电极，使所述小球固定在所述电极的表面，形成所述掩膜层。
作为更优选地，所述提供含有若干个相同大小且紧密排列的小球的悬浊液包括：
提供乙醇和水的混合液；
在所述混合液中加入所述若干个小球，得到悬浊液。
作为更优选地，在所述将所述悬浊液置于所述电极的表面之前还包括在所述悬浊液内加入表面活性剂的步骤。
作为更优选地，所述表面活性剂为十二磺基硫酸钠。
作为更优选地，在所述混合液中乙醇和水的比例为1:1；所述若干个小球和所述悬浊液的质量比为1:10。
作为更优选地，所述小球为由聚苯乙烯制备成的小球；所述去除所述电极上所有的小球以及所述小球上的金属层具体为利用四氢呋喃实施。
作为更优选地，所述小球的直径为400～600纳米；所述金属层的厚度为150～250纳米。
作为更优选地，在步骤(1)之前，还包括清理电极的表面的步骤。
作为更优选地，所述清理电极的表面的步骤包括：
利用丙酮溶液对所述电极的表面超声清洗；
用去离子水冲洗所述电极的表面；
用氮气吹干所述电极的表面。
作为更优选地，所述金属层采用具有生物兼容性的金属材料。
作为更优选地，所述金属层采用金或铂。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明实施例提供的利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法，包括如下步骤：在电极的表面形成掩膜层；所述掩膜层上具有若干个贯穿所述掩膜层的空隙；通过在所述掩膜层上沉积金属层，在所述空隙内形成与所述电极的表面连接的金属点；去除所述掩膜层以及所述掩膜层上的金属层，使得所述金属点暴露出来。本发明通过掩膜在电极表面制得三维金属点，既能与组织界面紧密接触，又能获得较好的机械强度。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法的流程示意图；
图2是步骤S12所形成的结构体的示意图；
图3是步骤S13所形成的结构体的示意图；
图4是步骤S14所形成的结构体的示意图；
图5是步骤S15所形成的结构体的示意图；
图6是本发明实施例二提供的利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法的流程示意图；
图7是步骤S22所形成的结构体的示意图；
图8是步骤S23所形成的结构体的示意图；
图9是步骤S24所形成的结构体的示意图；
图10是步骤S25所形成的结构体的示意图；
图11是本发明实施例三提供的利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法的流程示意图；
图12是步骤S32所形成的结构体的示意图；
图13是步骤S33所形成的结构体的示意图；
图14是步骤S34所形成的结构体的示意图。
具体实施方式
为了更加清楚地描述本发明的目的、特征以及优势，以下将结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述，但下文详细描述的本发明的实施方式，仅仅是为了对本发明的内容进行举例说明，并不对本发明构成任何限定。本发明的保护范围仅由权利要求书限定。
实施例一
如图1所示，其是本发明实施例一提供的利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法的流程示意图，包括步骤S11～S15:
S11，清理电极11的表面。
具体地，S11包括：
利用丙酮溶液对所述电极11的表面超声清洗；
用去离子水冲洗所述电极11的表面；
用氮气吹干所述电极11的表面。
S12，在电极11的表面旋涂光刻胶作为掩膜层12。
如图2所示，其是步骤S12所形成的结构体的示意图。其中，所述光刻胶为负光刻胶，所述光刻胶的厚度为1.5～2.5微米；在本实施例中，所述光刻胶为AZ5214E，所述光刻胶的厚度为2微米。
S13，利用紫外光在所述掩膜层12上形成若干个贯穿所述掩膜层12的空隙。
如图3所示，其是步骤S13所形成的结构体的示意图。由于紫外光在透过负光刻胶时会向外侧发散，使得本来被掩膜遮挡住的部分也会受到光刻作用，形成的空隙的边缘具有倾斜角度，空隙的形状为台形。
S14，通过在所述掩膜层12上沉积金属层13，在所述空隙内形成与所述电极11的表面连接的金属点。
如图4所示，其是步骤S14所形成的结构体的示意图。所述金属层13优选采用具有生物兼容性的金属材料，如金或铂；所述金属层13的厚度为150～250纳米。在本实施例中，所述金属层13的厚度为200纳米。
S15，去除所述掩膜层12以及所述掩膜层12上的金属层13，使得所述金属点暴露出来。
如图5所示，其是步骤S15所形成的结构体的示意图。在本实施例中，步骤S15采用丙酮溶解法实施。
最终在电极的表面形成若干多个台形结构的金属点，从而增大了电极的表面积，提高了电荷注入能力。同时区别于多孔化处理，本发明的方法更利于电极与组织表面的紧密接触。
优选地，在步骤S13中，所述空隙为阵列状排布在所述掩膜层12上，使得形成的金属点也是以阵列状排布，进一步利于电极与组织表面的紧密接触。
需要说明的是，步骤S12中的光刻胶不限于使用负光刻胶，如果采用正光刻胶，则形成的空隙会是倒台形，而使用负光刻胶会达到更好的紧密接触的效果。
实施例二
如图6所示，其是本发明实施例二提供的利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法的流程示意图，包括步骤S21～S25:
S21，清理电极21的表面。
具体地，S21包括：
利用丙酮溶液对所述电极21的表面超声清洗；
用去离子水冲洗所述电极21的表面；
用氮气吹干所述电极21的表面。
S22，在电极21的表面旋涂光刻胶作为掩膜层22。
如图7所示，其是步骤S22所形成的结构体的示意图。其中，所述光刻胶为正光刻胶，所述光刻胶的厚度为8～12微米；在本实施例中，所述光刻胶为AZ4620，所述光刻胶的厚度为10微米。
S23，利用电子束在所述掩膜层22上形成若干个贯穿所述掩膜层22的空隙。
如图8所示，其是步骤S23所形成的结构体的示意图。由于电子束是直接刻蚀将光刻胶打掉，因此刻蚀出来的空隙的边缘是垂直于电极表面的，空隙的结构呈柱形。
S24，通过在所述掩膜层22上沉积金属层23，在所述空隙内形成与所述电极21的表面连接的金属点。
如图9所示，其是步骤S24所形成的结构体的示意图。所述金属层23优选采用具有生物兼容性的金属材料，如金或铂；所述金属层23的厚度为150～250纳米。在本实施例中，所述金属层23的厚度为200纳米。
S25，去除所述掩膜层22以及所述掩膜层22上的金属层23，使得所述金属点暴露出来。
如图10所示，其是步骤S25所形成的结构体的示意图。在本实施例中，步骤S25采用丙酮溶解法实施。
最终在电极的表面形成若干多个呈柱形结构的金属点，从而增大了电极的表面积，提高了电荷注入能力。同时区别于多孔化处理，本发明的方法更利于电极与组织表面的紧密接触。
优选地，在步骤S23中，所述空隙为阵列状排布在所述掩膜层22上，使得形成的金属点也是以阵列状排布，进一步利于电极与组织表面的紧密接触。
需要说明的是，步骤S22中的光刻胶不限于使用正光刻胶，如果采用负光刻胶，则形成的空隙同样也会是柱形。
实施例三
如图11所示，其是本发明实施例三提供的利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法的流程示意图，包括步骤S31～S34:
S31，清理电极31的表面。
具体地，S31包括：
利用丙酮溶液对所述电极31的表面超声清洗；
用去离子水冲洗所述电极31的表面；
用氮气吹干所述电极31的表面。
S32，在电极31的表面形成若干个相同大小且紧密排列的小球作为掩膜层32；
如图12所示，其是步骤S32所形成的结构体的示意图。其中，小球的直径为400～600纳米，在本实施例中，所述小球的半径为500纳米；所述小球由聚苯乙烯制备成。
步骤S32具体包括：
提供含有若干个相同大小且紧密排列的小球的悬浊液；
在悬浊液内加入表面活性剂，使得小球均匀分布并且紧密排列。在本实施例中，所述表面活性剂为十二磺基硫酸钠。
将所述悬浊液置于所述电极的表面并自然干燥，使所述若干个小球均匀且紧密排列地分布在所述电极的表面；
加热所述电极，使所述小球固定在所述电极的表面，形成所述掩膜层。
更具体地，所述提供含有若干个相同大小且紧密排列的小球的悬浊液包括：
提供乙醇和水的混合液；
在所述混合液中加入所述若干个小球，得到悬浊液。
在本实施例中，在所述混合液中乙醇和水的比例为1:1；所述若干个小球和所述悬浊液的质量比为1:10。
S33，通过在由若干个小球组成的掩膜层32上沉积金属层33，在所述小球间的空隙内形成与所述电极31的表面连接的金属点；
如图13所示，其是步骤S33所形成的结构体的示意图。所述金属层33优选采用具有生物兼容性的金属材料，如金或铂；所述金属层33的厚度为150～250纳米。在本实施例中，所述金属层33的厚度为200纳米。
S34，为去除所述电极上所有的小球以及所述小球上的金属层33，使得所述金属点暴露出来。
如图14所示，其是步骤S34所形成的结构体的示意图。在本实施例中，步骤S34采用四氢呋喃实施。
最终在电极的表面形成若干多个呈锥形结构的金属点，从而增大了电极的表面积，提高了电荷注入能力。同时区别于多孔化处理，本发明的方法更利于电极与组织表面的紧密接触。
在步骤S32中，小球的排列方式可以是以三个小球为最小拼接单元的方式，也可以是以更多的小球为最小拼接单元的方式。但以三个小球为最小拼接单元的结构是最稳定的。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明实施例提供的利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法，包括如下步骤：在电极的表面形成掩膜层；所述掩膜层上具有若干个贯穿所述掩膜层的空隙；通过在所述掩膜层上沉积金属层，在所述空隙内形成与所述电极的表面连接的金属点；去除所述掩膜层以及所述掩膜层上的金属层，使得所述金属点暴露出来。本发明通过掩膜在电极表面制得三维金属点，既能与组织界面紧密接触，又能获得较好的机械强度。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (21)

1.一种利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)在电极的表面形成掩膜层；所述掩膜层上具有若干个贯穿所述掩膜层的空隙；
(2)通过在所述掩膜层上沉积金属层，在所述空隙内形成与所述电极的表面连接的金属点；
(3)去除所述掩膜层以及所述掩膜层上的金属层，使得所述金属点暴露出来。
2.如权利要求1所述的利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法，其特征在于，所述空隙以阵列状分布在所述掩膜层上。
3.如权利要求1或2所述的利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法，其特征在于，步骤(1)具体包括：
在电极的表面旋涂光刻胶作为掩膜层；
利用光刻工艺在所述掩膜层上形成若干个贯穿所述掩膜层的空隙。
4.如权利要求3所述的利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法，其特征在于，所述利用光刻工艺在所述掩膜层上形成若干个贯穿所述掩膜层的空隙具体为利用紫外光在所述掩膜层上形成若干个贯穿所述掩膜层的空隙。
5.如权利要求3所述的利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法，其特征在于，所述光刻胶为负光刻胶。
6.如权利要求4所述的利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法，其特征在于，所述光刻胶的厚度为1.5～2.5微米；所述金属层的厚度为150～250纳米。
7.如权利要求3所述的利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法，其特征在于，所述利用光刻工艺在所述掩膜层上形成若干个贯穿所述掩膜层的空隙具体为利用电子束在所述掩膜层上形成若干个贯穿所述掩膜层的空隙。
8.如权利要求7所述的利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法，其特征在于，所述光刻胶的厚度为8～12微米；所述金属层的厚度为150～250纳米。
9.如权利要求3所述的利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法，其特征在于，步骤(3)具体是通过丙酮溶解法去除所述掩膜层以及所述掩膜层上的金属层。
10.如权利要求1所述的利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法，其特征在于，步骤(1)具体为在电极的表面形成若干个相同大小且紧密排列的小球作为掩膜层；步骤(2)具体为通过在由若干个小球组成的掩膜层上沉积金属层，在所述小球间的空隙内形成与所述电极的表面连接的金属点；步骤(3)具体为去除所述电极上所有的小球以及所述小球上的金属层，使得所述金属点暴露出来。
11.如权利要求10所述的利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法，其特征在于，步骤(1)具体包括：
提供含有若干个相同大小且紧密排列的小球的悬浊液；
将所述悬浊液置于所述电极的表面并自然干燥，使所述若干个小球均匀且紧密排列地分布在所述电极的表面；
加热所述电极，使所述小球固定在所述电极的表面，形成所述掩膜层。
12.如权利要求11所述的利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法，其特征在于，所述提供含有若干个相同大小且紧密排列的小球的悬浊液包括：
提供乙醇和水的混合液；
在所述混合液中加入所述若干个小球，得到悬浊液。
13.如权利要求12所述的利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法，其特征在于，在所述将所述悬浊液置于所述电极的表面之前还包括在所述悬浊液内加入表面活性剂的步骤。
14.如权利要求13所述的利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法，其特征在于，所述表面活性剂为十二磺基硫酸钠。
15.如权利要求12所述的利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法，其特征在于，在所述混合液中乙醇和水的比例为1:1；所述若干个小球和所述悬浊液的质量比为1:10。
16.如权利要求10所述的利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法，其特征在于，所述小球为由聚苯乙烯制备成的小球；所述去除所述电极上所有的小球以及所述小球上的金属层具体为利用四氢呋喃实施。
17.如权利要求10所述的利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法，其特征在于，所述小球的直径为400～600纳米；所述金属层的厚度为150～250纳米。
18.如权利要求1所述的利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法，其特征在于，在步骤(1)之前，还包括清理电极的表面的步骤。
19.如权利要求18所述的利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法，其特征在于，所述清理电极的表面的步骤包括：
利用丙酮溶液对所述电极的表面超声清洗；
用去离子水冲洗所述电极的表面；
用氮气吹干所述电极的表面。
20.如权利要求1所述的利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法，其特征在于，所述金属层采用具有生物兼容性的金属材料。
21.如权利要求20所述的利用微加工在电极表面制备三维微结构的方法，其特征在于，所述金属层采用金或铂。
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