CN106880355B - 一种基于电容耦合的柔性生物电极阵列及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于医疗器械技术领域，提供一种基于电容耦合的柔性生物电极阵列及其制备方法，有效地解决了容性电极电容耦合面积大、与生物组织接触不好的问题；本发明柔性生物电极阵列包括柔性介电层、金属电极阵列和柔性保护层，金属电极阵列位于柔性介电层之上，金属电极阵列由其上方的柔性保护层包裹，金属电极阵列的焊盘裸露；柔性介电层采用钛酸钡/聚酰亚胺复合薄膜，柔性保护层采用聚酰亚胺薄膜。本发明以超薄的、具有高介电常数的BT/PI复合膜作为介电层，实现了小面积容性电极的制备，同时该柔性生物电极具有阵列结构，有利于多通道信号的采集；另外，该柔性生物电极阵列制备成本低、工艺简单，适用于工业大规模生产。

Description

一种基于电容耦合的柔性生物电极阵列及其制备方法
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种基于电容耦合的柔性生物电极阵列及其制备方法。
背景技术
神经生理学活动的记录在生物医学领域中发挥着重要作用，它被广泛地应用在癫痫检测、神经康复等领域。神经元活动的记录方式主要包括单神经元记录(single-neuronrecording)、脑皮层电图(ECoG)以及脑电图(EEG)；不同的测量方式用于不同区域的神经电信号测量。对于这三种测量方式，单神经元记录具有最高的空间分辨率，但对大脑的伤害最大，不适于长期的信号监测；脑电图记录对大脑的伤害最小，但时间和空间分辨率都最低；相比之下，脑皮层电图记录既有较高的时间和空间分辨率，又有较好的稳定性，能满足长期的信号监测需求。
目前，用于记录神经元活动的脑电极可以分为两类：阻性电极和容性电极。阻性电极是一种接触式脑电极，这种接触方式不能保证电安全，同时不能避免电刺激和过敏反应，因此不能用于长期的信号监测。而容性电极是一种非接触式脑电极，通过电容耦合原理来采集生物信号，有效地消除了漏电流，解决了阻性电极所存在的问题。近年来，随着生物电极研究的不断深入，容性电极广阔的应用前景不断显现出来并且受到越来越多的研究者的关注。Jae-Woong Jeong等(Jae-Woong Jeong,et al.,Capacitive EpidermalElectronics for Electrically Safe,Long-Term ElectrophysiologicalMeasurements.Advanced healthcare materials 3,642-648(2014))利用5μm厚的硅胶作为介电层制备了容性电极，并且成功地采集到了人的心电图(E CG)，肌电图(EMG)以及眼电图(EOG)。Seung Min Lee等(Seung Min Lee,et al.,Sel f-adhesive and capacitivecarbon nanotube-based electrode to record electroencephalograph si gnals fromthe hairy scalp.IEEE Transactions on Biomedical Engineering 63,138-147(2016))将电极做成柱状结构来增大电容耦合面积，并且成功地采集到了人的EEG。然而，上述现有容性电极几乎都只能用在人体表皮采集信号，并且往往需要几个平方厘米的电容耦合区域，这大大限制了容性电极在生物体内(例如ECoG)的应用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足和缺陷，提出了一种基于电容耦合的柔性生物电极阵列及其制备方法，有效地解决了容性电极电容耦合面积大、与生物组织接触不好的问题。本发明以具有较高介电常数且超薄的钛酸钡/聚酰亚胺复合膜作为容性电极的介电层，从而实现柔性、小面积、多通道、可植入容性电极阵列。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于电容耦合的柔性生物电极阵列，包括柔性介电层、金属电极阵列和柔性保护层，所述金属电极阵列位于柔性介电层之上，所述金属电极阵列由其上方的柔性保护层包裹，金属电极阵列的焊盘裸露；所述柔性介电层采用钛酸钡/聚酰亚胺(BT/PI)复合薄膜，所述柔性保护层采用聚酰亚胺(PI)薄膜。
进一步地，所述钛酸钡/聚酰亚胺(BT/PI)复合薄膜中钛酸钡的含量为30～40wt％。
所述柔性介电层的厚度为1～3μm。
所述金属电极阵列采用金(Au)电极阵列，厚度为100～300nm。
所述柔性保护层的厚度为2～3μm。
上述基于电容耦合的柔性生物电极阵列的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：在硅片(Si)上旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，然后加热固化；
步骤2：在步骤1得到的聚甲基丙烯酸甲酯表面旋涂一层钛酸钡/聚酰亚胺复合薄膜，随后加热固化；
步骤3：利用光刻技术和磁控溅射技术在步骤2得到的钛酸钡/聚酰亚胺复合薄膜表面制备金属电极阵列；
步骤4：在步骤3得到的金属电极阵列的表面旋涂一层聚酰亚胺薄膜，然后加热固化；
步骤5：利用光刻技术在步骤4得到的聚酰亚胺薄膜表面进行光刻，暴露金属电极阵列的焊盘；
步骤6：在步骤5的基础上，溶解PMMA层，将柔性生物电极阵列从Si基底上剥离，即得到所述基于电容耦合的柔性生物电极阵列。
本发明的有益效果为：
1、在本发明中，
Figure BDA0001208833900000021
CE为生物组织和电极之间的电容，εr为介电层的相对介电常数，ε0为真空介电常数，A为电容耦合面积，d为生物组织和电极之间的距离；当CE保持不变且满足容性采集系统的需求时，通过减小d和增大εr，能够减小A；因此，本发明提供的基于电容耦合原理的柔性生物电极阵列以超薄的、具有高介电常数的BT/PI复合膜作为介电层，实现了小面积容性电极的制备，从而解决了现有容性电极不能在生物体内应用的问题；同时，该柔性生物电极具有阵列结构，有利于多通道信号的采集。
2、本发明提供的柔性生物电极阵列利用电容耦合的原理来采集生物信号，避免了金属电极与生物组织的直接接触，解决了现有的植入体内的阻性电极存在的漏电流问题，保证了电安全；本发明提供的基于电容耦合原理的柔性生物电极阵列采用超薄的BT/PI为介电层、超薄的PI为保护层，柔性好；另外，本发明提供的基于电容耦合原理的柔性生物电极阵列制备成本低、工艺简单，适用于工业大规模生产。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于电容耦合的柔性生物电极阵列的结构示意图；其中，1为B T/PI介电层，2为金属电极阵列，3为PI保护层。
图2为本发明实施例的基于电容耦合原理的柔性生物电极阵列的制备流程示意图。
图3为本发明实施例制备得到的BT/PI复合膜的介电常数与频率的关系图。
图4为本发明实施例利用制备的容性电极阵列及传统的螺钉对照电极采集到的ECoG信号图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
如图1所示，为本发明提供的一种基于电容耦合原理的柔性生物电极阵列的结构示意图，包括柔性介电层、金属电极阵列和柔性保护层，所述金属电极阵列位于柔性介电层之上，金属电极阵列被其上方的柔性保护层包裹，金属电极阵列的焊盘裸露。
进一步地，所述柔性介电层为具有高介电常数的1～3μm厚的钛酸钡/聚酰亚胺(BT/PI)复合膜，所述复合膜中BT的含量为30～40wt％，所述金属电极阵列为100～300nm厚、2×2的金(Au)电极阵列，所述金属电极阵列的单个电极大小均为1.26mm×1.26mm，金的厚度均为100～300nm，所述柔性保护层为2～3μm厚的聚酰亚胺(PI)薄膜。
实施例1
如图2所示，本实施例提供了一种基于电容耦合原理的柔性生物电极阵列的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1：将所用硅片切成1.2cm×1.2cm的大小，然后利用丙酮、酒精将硅片清洗干净，随后在洁净的硅片上旋涂一层PMMA并放入烘箱150摄氏度加热30分钟；
步骤2:在步骤1得到的PMMA表面旋涂一层2μm厚的BT/PI，随后放入烘箱180摄氏度加热1小时；
步骤3：利用光刻技术和磁控溅射技术在步骤2得到的BT/PI表面制备一层200nm厚的、2×2的Au电极阵列；
步骤4：在步骤3得到的金属电极阵列的表面旋涂一层2μm厚的PI，然后放入烘箱120摄氏度加热1小时；
步骤5：利用光刻技术在步骤4得到的PI表面进行光刻，暴露金属电极阵列的焊盘；
步骤6：将步骤5得到的样品放入烘箱180摄氏度加热1小时；
步骤7：在步骤6的基础上，利用丙酮溶解PMMA层，将柔性生物电极阵列从Si基底上剥离，然后将柔性生物电极阵列吹干、消毒，即得到本发明所述基于电容耦合原理的柔性生物电极阵列。
将实施例1制得的基于电容耦合原理的柔性生物电极阵列植入大鼠左脑半球的视觉皮层区，将4个传统的螺钉电极植入大鼠右脑半球的视皮层区，两种电极同时记录大鼠的ECoG信号。如图4所示为本发明实施例利用制备的容性电极阵列及传统的螺钉对照电极采集到的ECoG信号图；由图可知，两种电极采集到的ECoG信号具有相似的幅度及变化，通过计算信号的皮尔森相关系数(r)，发现两种电极信号之间的r均大于80％，这表明本发明制备的容性电极阵列能够成功地采集ECoG信号。
本实施例中具有高介电常数的BT/PI复合膜的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将40克粒度小于100纳米的BT粒子加入到100毫升/99.7％的乙醇溶液中，超声分散后加入1克3-氨丙基-三乙氧基硅烷(ATPS)，室温搅拌10分钟，再在70摄氏度下搅拌1小时，然后离心、酒精清洗、50摄氏度干燥，得到改性后的BT粒子；
步骤2:以1:1.02(二氨基二苯醚(ODA):均苯四甲酸酐(PMDA))的单体摩尔比分别称量ODA3.3723克，PMDA3.7149克，并将ODA放入三口瓶中；
步骤3：用量筒量取溶剂N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)60毫升，将其倒入步骤2所述三口瓶中；
步骤4：将步骤3中溶有ODA的三口瓶固定，开动搅拌器，常温搅拌15分钟，以使单体完全溶解；
步骤5：将步骤1中改性后的BT粒子4.72克加入步骤4所得溶液中，超声30分钟使得颗粒完全分散；
步骤6：将称量好的单体PMDA分成8次先后加入到步骤5所得混合液中；每两次加单体的间隔时间大约为10分钟，以确保之前加的单体能完全溶解并反应；当所有的单体都加完并且溶解之后，在室温下快速搅拌混合液2小时，以此来得到分散性及粘度都很好的BT、聚酰氨酸(PAA)与溶剂DMAC的混合液；
步骤7：将步骤6所得混合液密封保存，并用于实施例1中BT/PI复合膜的制备；通过加热，溶剂DMAC挥发,BT/PAA亚胺化成BT/PI后，即可得到一层具有高介电常数的BT/PI复合膜，其中BT的含量为40wt％。
上述所得的最终混合液制备成BT/PI薄膜后，测得BT/PI复合膜的介电常数与频率的关系如图3所示；由图可知，制成的BT/PI复合膜和纯的PI(频率范围从100Hz到10MHz变化时，其介电常数几乎恒等于3.5)相比，其介电常数有很明显的增大，从30.13(频率为1MHz)到51.53(频率为100Hz)，增大了8.6倍到14.7倍。因此，本发明提供的制备方法可以制备具有高介电常数的BT/PI复合膜。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (5)

1.一种基于电容耦合的柔性生物电极阵列，包括柔性介电层、金属电极阵列和柔性保护层，所述金属电极阵列位于柔性介电层之上，所述金属电极阵列由其上方的柔性保护层包裹，金属电极阵列的焊盘裸露；所述柔性介电层采用钛酸钡/聚酰亚胺（BT/PI）复合薄膜，所述柔性保护层采用聚酰亚胺（PI）薄膜；
所述基于电容耦合的柔性生物电极阵列采用如下方法制备，具体包括以下步骤：
步骤 1：在硅片（Si）上旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），然后加热固化；
步骤 2：在步骤1得到的聚甲基丙烯酸甲酯表面旋涂一层钛酸钡/聚酰亚胺复合薄膜，随后加热固化；所述钛酸钡/聚酰亚胺复合薄膜的制备方法过程为：
1）将40克粒度小于100纳米的BT粒子加入到100毫升/99.7%的乙醇溶液中，超声分散后加入1克3-氨丙基-三乙氧基硅烷(ATPS)，室温搅拌10分钟，再在70摄氏度下搅拌1小时，然后离心、酒精清洗、50摄氏度干燥，得到改性后的BT粒子；
2）以1:1.02二氨基二苯醚（ODA）:均苯四甲酸酐（PMDA）的单体摩尔比分别称量ODA：3.3723克，PMDA：3.7149克，并将ODA放入三口瓶中；
3）量取溶剂N,N-二甲基乙酰胺（DMAC）60毫升，将其倒入三口瓶中；
4）将溶有ODA的三口瓶固定，常温搅拌15分钟，以使单体完全溶解；
5）将改性后的BT粒子4.72克加入步骤4）所得溶液中，超声30分钟使得颗粒完全分散；
6）将称量好的单体PMDA 分成8次先后加入到步骤5）所得混合液中；每两次添加单体PMDA的间隔时间为10分钟；待所有单体PMDA加完并且溶解之后，在室温下快速搅拌混合液2小时，得到BT、聚酰氨酸（PAA）与溶剂DMAC的混合液；
7）将步骤6）所得BT、聚酰氨酸（PAA）与溶剂DMAC的混合液旋涂于聚甲基丙烯酸甲酯表面；
步骤 3：利用光刻技术和磁控溅射技术在步骤2得到的钛酸钡/聚酰亚胺复合薄膜表面制备金属电极阵列；
步骤 4：在步骤3得到的金属电极阵列的表面旋涂一层聚酰亚胺薄膜，然后加热固化；
步骤 5：利用光刻技术在步骤4得到的聚酰亚胺薄膜表面进行光刻，暴露金属电极阵列的焊盘；
步骤 6：在步骤5的基础上，溶解PMMA层，将柔性生物电极阵列从Si基底上剥离，即得到所述基于电容耦合的柔性生物电极阵列。
2.按权利要求1所述基于电容耦合的柔性生物电极阵列，其特征在于，所述钛酸钡/聚酰亚胺（BT/PI）复合薄膜中钛酸钡的含量为30~40wt%。
3.按权利要求1所述基于电容耦合的柔性生物电极阵列，其特征在于，所述柔性介电层的厚度为1~3μm。
4.按权利要求1所述基于电容耦合的柔性生物电极阵列，其特征在于，所述金属电极阵列采用金(Au)电极阵列，厚度为100~300nm。
5.按权利要求1所述基于电容耦合的柔性生物电极阵列，其特征在于，所述柔性保护层的厚度为2~3μm。
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