CN106182975B - 一种基于液态金属的人工耳蜗电极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于液态金属的人工耳蜗电极及其制备方法，属于人工耳蜗电极领域。该电极包括呈三角形的上下两层柔性聚合物薄膜，封装在两层柔性聚合物薄膜之间的液态金属以及多个电极触点；该呈三角形的柔性聚合物薄膜卷曲形成呈三角圆锥体的电极；其制备方法包括：制备柔性聚合物薄膜；在制得的柔性聚合物薄膜中注入液态金属及液态金属硅胶混合物，并将薄膜卷曲制得人工耳蜗电极。本发明将液态金属材料与柔性微流道技术结合，设计出具有良好导电性和极佳的柔顺性的新型电极，改善了传统人工耳蜗电极的力学特性，且其制备工艺简单。
Description
技术领域
本发明属于人工耳蜗电极领域，涉及一种基于液态金属的人工耳蜗电极及其制备方法。
背景技术
耳蜗在人体听觉系统中扮演着十分重要的角色，它将中耳传导的声音信号转换为经过编码的电刺激信号，从而被神经系统所识别，进而产生听觉。对于神经性耳聋患者而言，发病原因一般为耳蜗内感觉毛细胞损伤，从而影响听觉信号的传导。人工耳蜗就是根据人体正常耳蜗声音传导原理进行设计的，其基本设计思路是将电极利用耳蜗造孔术植入到耳蜗内，通过电极直接放电刺激听神经来取代感觉毛细胞传导刺激的作用。
目前的人工耳蜗植入系统一般由以下几部分组成：接受周围声音信号的微型麦克风；将麦克风接受的声音信号转换为电信号的声音处理装置；将电信号和能量经皮传输到体内的射频装置；植入体内的射频接受装置；置于耳蜗内的阵列电极。该系统通过一系列的电子设备将声音信号转化为电极上经过编码的电刺激信号，经听神经传导入脑。
人工耳蜗在植入过程中必须把蜗内电极插入到耳蜗鼓阶中，因此需要设计纤细且柔软的电极，以便更好地保护耳蜗的残余听力。如果电极比较粗且硬度较高则会对耳蜗内的结构造成物理伤害。研究表明，人工耳蜗产生的信号频率如果与电极触点所在部位的自然听觉频率不匹配，患者的语音识别能力会受到不利的影响。因此设计改善人工耳蜗电极的力学特性可以进一步提高人工耳蜗的使用效果。现有的人工耳蜗电极主要采用铂丝电极，这种贵金属电极虽然生物相容性很好，但是一般价格较高，而且在植入过程中容易对耳蜗结构造成物理伤害。
一般的金属材料往往具有很高的熔点，而有些金属材料，如汞在常温下保持液体形态。虽然汞可以在常温下保持液态，但是其毒性较强，不适合在人体内应用。与汞类似，镓及其与铟的合金具有较低的熔点。镓铟合金具有较宽的液态温度范围，并且化学性质稳定。由于液态金属的熔点较低，因此同时具有金属的导电性、导热性和放射成像能力以及液体所具有的流动性和顺应性。液态金属这种独特的性质，使其在生物医学领域有着广阔的应用前景。
发明内容
本发明为了克服现有技术的不足，提出了一种基于液态金属的人工耳蜗电极及其制备方法，该电极具有体积小、柔性高的优点，可以减小人工耳蜗植入过程中的物理伤害；该制备方法工艺简单。
本发明的技术方案如下：
本发明提出的一种基于液态金属的人工耳蜗电极，其特征在于，该电极包括呈三角形的上下两层柔性聚合物薄膜，封装在两层柔性聚合物薄膜之间的液态金属以及多个电极触点；该呈三角形的柔性聚合物薄膜卷曲形成呈三角圆锥体的电极。
所述的下层柔性聚合物薄膜包括薄膜体，在该薄膜体上设置的多组凹槽和多组连接端口，该薄膜体为等腰三角形，多组凹槽与薄膜体的一斜边同向均匀间隔分布，每组凹槽构成一条液态金属微流道，每条液态金属微流道末端设有连接端口与薄膜体的底边垂直，每条液态金属微流道的首端与设置在薄膜体斜边的电极触点相连；上层柔性聚合物薄膜为等腰三角形薄膜体，沿该薄膜体一斜边内侧均匀间隔分布多个通孔；上层薄膜体的每个通孔与下层薄膜体的每个电极触点一一对应。
如上所述的人工耳蜗电极的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1)制备柔性聚合物薄膜；
1-1)制备下层柔性聚合物薄膜：
在一块平整的硅片表面均匀旋涂一层感光胶，使用光刻技术对感光胶层进行图案化处理，即将事先设计的带有微流道图案的遮光胶片放置在感光胶的上表面；使用紫外光对其进行照射30分钟，取下遮光胶片使用显影剂对感光胶进行冲洗；冲洗干净后，将硅橡胶预聚物与固化剂以10:1的质量比混合，并将该混合溶液均匀涂抹在感光胶表面后，将该感光胶置于75℃的加热箱中加热一小时，待混合溶液固化成膜后，将其揭下则形成具有微流道结构的下层柔性聚合物薄膜；
1-2)制备上层柔性聚合物薄膜：
将步骤1-1)配置的硅橡胶预聚物与固化剂混合溶液均匀涂抹在另一块硅片上，将该硅片放置在75℃的加热箱中加热一小时，待混合溶液固化成膜后，将其揭下则形成上层柔性聚合物薄膜；使用打孔器在该上层柔性聚合物薄膜上打出多个通孔；该通孔与电极触点一一对应；
1-3)将步骤1-2)制得的上层柔性聚合物薄膜和步骤1-1)制得的下层柔性聚合物薄膜使用等离子键合的方法键合；
2)在步骤1)制得的柔性聚合物薄膜中注入液态金属及液态金属硅胶混合物，并将薄膜卷曲制得人工耳蜗电极：
将步骤1-3)键合成型的柔性聚合物薄膜剪切成三角形，并将三角形底边的微流道连接端口切开，使其与外界环境相通；使用注射器把液态金属由微流道连接端口处注入微流道内，并完全充满流道；使用注射器抽取液态金属硅胶混合物注射到上层柔性聚合物薄膜薄膜的通孔中构成电极触点；在制作完成的柔性聚合物薄膜下表面涂抹一层粘性胶水，从没有电极触点的斜边开始向上卷起该三角形薄膜的斜边，使每一层薄膜紧密贴合，卷曲成三角圆锥体结构，多个电极触点分布在三角圆锥体最外层边缘，多个流道连接端口集中在三角圆锥体的底面，形成人工耳蜗电极。
本发明提出的一种基于液态金属的人工耳蜗电极及其制备方法，其特点和有益效果在于：
本发明将液态金属灌注在弹性高分子材料的微流道中，作为电极材料，同时其柔顺性和应力应变特性完全取决于弹性高分子材料的特性。这种电极具有与生物组织相近的力学特性，可以尽可能减小对生物组织的机械伤害。为了进一步减小电极的体积，本发明将薄膜卷绕成三维圆锥体结构。最终的人工耳蜗电极与现有的电极形状类似，但具有更好的柔性和可拉伸性能。本发明将液态金属材料与柔性微流道技术结合，设计出具有良好导电性和极佳的柔顺性的新型电极，改善了传统人工耳蜗电极的力学特性，且其制备工艺简单，是液态金属在生物医学领域的有益探索。
附图说明
图1-1是本发明实施例PDMS材质的人工耳蜗电极的整体结构示意图；
图1-2是本发明实施例PDMS材质的人工耳蜗电极展开后俯视图；
图2是本发明实施例的PDMS材质的人工耳蜗电极展开后各组成部分的结构示意图；
图3-1是本发明实施例PDMS材质的柔性聚合物薄膜的制备示意图；
图3-2是本发明实施例PDMS材质的微流道光刻技术的操作过程示意图；
图4是本发明实施例PDMS材质的柔性聚合物薄膜卷绕成圆锥体人工耳蜗电极的过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步描述：
本发明提出的一种基于液态金属的人工耳蜗电极，其实施例结构如图1-1和1-2所示，该电极1包括呈三角形的上下两层柔性聚合物薄膜2、封装在两层柔性聚合物薄膜之间的液态金属，以及26个电极触点；呈三角形柔性聚合物薄膜2卷曲形成整体呈三角圆锥体的电极1，其底面直径约为1mm，电极长度为3cm，三角圆椎体一侧表面以0.4mm间距均匀分布着26个电极触点5，每个电极触点直径为0.6mm，三角圆椎体的底面分布着26个流道接口。该人工耳蜗电极的具体尺寸和形状可以做出相应的调整，其中，电极触点为20-30个。
所述的呈三角形的上下两层柔性聚合物薄膜2如图1-2所示，整体呈等腰三角形薄膜状，总厚度在150μm左右，其斜边长度为30mm，底边长度为5.5mm，由上层薄膜4、带有液态金属微流道的下层薄膜3、液态金属硅胶混合物构成的电极触点5组成。本发明中使用的薄膜2可以使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)等弹性高分子材料，本发明实施例使用的是DowCorning公司生产的PDMS材料。
如图2所示，下层柔性聚合物薄膜包括PDMS薄膜体2a、在该薄膜体上设置的26组凹槽和26组连接端口，该薄膜体2a为等腰三角形，厚度为100μm，26组凹槽与薄膜体2a的一斜边同向以1mm的间距均匀分布，每组凹槽构成一条高度为50μm，宽度为50μm液态金属微流道2f，每条液态金属微流道末端设有与薄膜体的底边垂直的连接端口2g，每个连接端口的高度为50μm，宽度为100μm，长度为1mm，每条液态金属微流道的首端与设置在薄膜体斜边的直径为0.6mm的电极触点2e相连；上层柔性聚合物薄膜为等腰三角形，厚度为50μm的PDMS薄膜体2b，沿该薄膜体一斜边内侧以间距0.4mm均匀分布着26个直径为0.6mm通孔2c(其中2d表示已填充液态金属硅胶混合物的电极触点)；上层薄膜体的通孔2c与下层薄膜体的电极触点2e一一对应。
所述的液态金属为在常温下保持液体形态的镓铟合金，不同的含量配比可以得到不同熔点和导电性能的液态金属合金，也可以在该合金加入其它金属，如锡、锌、铋中的任一种；本发明中实施例中所选用的镓铟合金，由75.5％的镓和24.5％的铟组成，该镓铟合金的熔点为10.35℃。
所述的电极触点由液态金属硅胶混合物构成，该混合物由液态金属微滴喷涂在尚未固化的硅胶聚合物(如硅橡胶预聚物Sylgard 184)中，搅拌均匀制得；该触点可以防止液态金属泄露，其中的液态金属微滴具有导电能力，可以作为与神经细胞接触的刺激电极。
本发明提出的基于液态金属的人工耳蜗电极的制备方法，具体包括如下步骤：
1)制备柔性聚合物薄膜，具体包括：
1-1)制备下层柔性聚合物薄膜：
如图3-1所示，在一块平整的硅片3a表面均匀旋涂一层50μm高的感光胶3b，使用光刻技术对感光胶层进行图案化处理，即如图3-2所示，将事先设计的带有微流道图案的遮光胶片3f放置在感光胶3b的上表面；使用紫外光对其进行照射30分钟，取下遮光胶片3f使用显影剂对感光胶进行冲洗；冲洗干净后，将硅橡胶预聚物Sylgard 184(PDMS)与固化剂(DowCorning，USA)以10:1的质量比混合，并将该混合溶液均匀涂抹在感光胶3b表面，并将该感光胶3b置于75℃的加热箱中加热一小时；待混合溶液固化成膜后，将其揭下则形成具有微流道3c结构的下层柔性聚合物薄膜；
1-2)制备上层柔性聚合物薄膜：
将步骤1)配置的硅橡胶预聚物与固化剂混合溶液均匀涂抹在另一块硅片3a上，将该硅片3a放置在75℃的加热箱中加热一小时，待混合溶液固化成膜后，将其揭下形成上层柔性聚合物薄膜3d；使用直径为600μm的打孔器在上层聚合物薄膜上打出26个通孔3e，该通孔与电极触点一一对应；
1-3)将步骤1-2)制得的上层柔性聚合物薄膜和步骤1-1)制得的下层柔性聚合物薄膜使用等离子键合的方法键合；
所述的等离子键合的操作方法具体包括：将上层柔性聚合物薄膜和下层柔性聚合物薄膜贴合在一起，放入PDMS芯片等离子键合机(型号为GPC-102A)中；首先对等离子键合机的腔体进行抽真空处理；之后使用氧气反复冲洗，排除其余气体；关闭氧气流，把真空腔抽真空到真空度(氧气压力)为13.3～40Pa；加高压1400～2000V使真空腔内的氧气起辉，对薄膜表面进行氧等离子体轰击，即可完成对薄膜的键合。
2)在步骤1)制得的柔性聚合物薄膜中注入液态金属及液态金属硅胶混合物，并将薄膜卷曲制得人工耳蜗电极，具体包括：
将步骤1-3)键合成型的柔性聚合物薄膜剪切成三角形，并将三角形底边的26个微流道连接端口切开，使其与外界环境相通；使用注射器把液态金属由微流道连接端口处注入微流道内，并完全充满流道；使用注射器抽取液态金属硅胶混合物(该混合物是将液态金属微滴喷涂在尚未固化的硅胶聚合物中，搅拌均匀制得)注射到上层柔性聚合物薄膜薄膜的通孔中构成电极触点；(微流道连接端口中插入金属导线，以便与后级的控制电路连接；)
如图4所示，在制作完成的柔性聚合物薄膜4a下表面涂抹一层粘性胶水，从没有电极触点的斜边开始向上卷起该三角形薄膜的斜边，使每一层薄膜紧密贴合，卷曲成三角圆锥体结构4b，26个电极触点4c分布在三角圆锥体最外层边缘，26个流道连接端口4d集中在三角圆锥体的底面，形成人工耳蜗电极。
以上所述仅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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于液态金属的人工耳蜗电极，其特征在于，该电极包括呈三角形的上下两层柔性聚合物薄膜，封装在两层柔性聚合物薄膜之间的液态金属以及多个电极触点；该呈三角形的柔性聚合物薄膜卷曲形成呈三角圆锥体的电极；
所述的下层柔性聚合物薄膜包括薄膜体，在该薄膜体上设置的多组凹槽和多组连接端口，该薄膜体为等腰三角形，多组凹槽与薄膜体的一斜边同向均匀间隔分布，每组凹槽构成一条液态金属微流道，每条液态金属微流道末端设有连接端口与薄膜体的底边垂直，每条液态金属微流道的首端与设置在薄膜体斜边的电极触点相连；上层柔性聚合物薄膜为等腰三角形薄膜体，沿该薄膜体一斜边内侧均匀间隔分布多个通孔；上层薄膜体的每个通孔与下层薄膜体的每个电极触点一一对应。
2.如权利要求1所述的人工耳蜗电极，其特征在于，所述的呈三角形的柔性聚合物薄膜为聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性高分子材料。
3.如权利要求1或2所述的人工耳蜗电极，其特征在于，所述的封装在柔性聚合物薄膜之间的液态金属为在常温下保持液体形态的镓铟合金。
4.如权利要求3所述的人工耳蜗电极，其特征在于，在该镓铟合金中还加入锡、锌、铋中的任一种，或更改镓铟合金的金属含量配比，产生适用于不同温度环境的液态金属。
5.如权利要求1所述的人工耳蜗电极，其特征在于，所述的电极触点由液态金属硅胶混合物构成，该混合物由液态金属微滴喷涂在尚未固化的硅胶聚合物中，搅拌均匀制得。
6.如权利要求1所述的人工耳蜗电极的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1)制备柔性聚合物薄膜；
2)在步骤1)制得的柔性聚合物薄膜中注入液态金属及液态金属硅胶混合物，并将薄膜卷曲制得人工耳蜗电极；
所述的步骤1)具体包括：
1-1)制备下层柔性聚合物薄膜：
在一块平整的硅片表面均匀旋涂一层感光胶，使用光刻技术对感光胶层进行图案化处理，即将事先设计的带有微流道图案的遮光胶片放置在感光胶的上表面；使用紫外光对其进行照射30分钟，取下遮光胶片使用显影剂对感光胶进行冲洗；冲洗干净后，将硅橡胶预聚物与固化剂以10:1的质量比混合，并将该混合溶液均匀涂抹在感光胶表面后，将该感光胶置于75℃的加热箱中加热一小时，待混合溶液固化成膜后，将其揭下则形成具有微流道结构的下层柔性聚合物薄膜；
1-2)制备上层柔性聚合物薄膜：
将步骤1-1)配置的硅橡胶预聚物与固化剂混合溶液均匀涂抹在另一块硅片上，将该硅片放置在75℃的加热箱中加热一小时，待混合溶液固化成膜后，将其揭下则形成上层柔性聚合物薄膜；使用打孔器在该上层柔性聚合物薄膜上打出多个通孔；
1-3)将步骤1-2)制得的上层柔性聚合物薄膜和步骤1-1)制得的下层柔性聚合物薄膜使用等离子键合的方法键合。
7.如权利要求6所述的人工耳蜗电极的制备方法，其特征在于，所述的步骤2)具体包括：
将步骤1-3)键合成型的柔性聚合物薄膜剪切成三角形，并将三角形底边的微流道连接端口切开，使其与外界环境相通；使用注射器把液态金属由微流道连接端口处注入微流道内，并完全充满流道；使用注射器抽取液态金属硅胶混合物注射到上层柔性聚合物薄膜的通孔中构成电极触点；在制作完成的柔性聚合物薄膜下表面涂抹一层粘性胶水，从没有电极触点的斜边开始向上卷起该三角形薄膜的斜边，使每一层薄膜紧密贴合，卷曲成三角圆锥体结构，多个电极触点分布在三角圆锥体最外层边缘，多个流道连接端口集中在三角圆锥体的底面，形成人工耳蜗电极。
8.如权利要求6所述的人工耳蜗电极的制备方法，其特征在于，步骤1-3)所述的等离子键合具体包括：
将上层柔性聚合物薄膜和下层柔性聚合物薄膜贴合在一起，放入PDMS芯片等离子键合机中；首先对等离子键合机的腔体进行抽真空处理；之后使用氧气反复冲洗，排除其余气体；关闭氧气流，把真空腔抽真空到真空度为13.3～40Pa；加高压1400～2000V使真空腔内的氧气起辉，对薄膜表面进行氧等离子体轰击，即可完成对薄膜的键合。
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