CN107485386B

CN107485386B - 颅内皮层神经信息检测电极、电极阵列及其制备方法

Info

Publication number: CN107485386B
Application number: CN201710862781.9A
Authority: CN
Inventors: 王杨; 蔡新霞; 李欣蓉; 宋轶琳; 罗金平; 王蜜霞
Original assignee: Institute of Electronics of CAS
Current assignee: Institute of Electronics of CAS
Priority date: 2017-09-21
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2021-03-19
Anticipated expiration: 2037-09-21
Also published as: CN107485386A

Abstract

颅内皮层神经信息检测电极、电极阵列及其制备方法，其中，颅内皮层神经信息检测电极，包括：基底层，电极层，位于基底层上方，其包括：两端的焊盘，每一焊盘的一部分作为焊盘接口，用于与外接设备连接；置于焊盘之间、且与焊盘分离设置的三电极体系，该三电极体系包括对电极、参比电极和工作电极，工作电极包括交叉排布的：多个微电极，用于检测颅内皮层多个细胞产生的动作电位信号；多个宏电极，用于检测颅内皮层单个细胞产生的场电位信号；绝缘层，覆盖于电极层表面，其具有与焊盘和三电极体系正对的焊盘窗口和电极窗口，以露出焊盘接口、对电极、参比电极和工作电极。因此，本发明的检测电极能够同时实现宏观检测和微观检测。

Description

颅内皮层神经信息检测电极、电极阵列及其制备方法

技术领域

本发明属于神经信息探测领域，更具体地涉及一种颅内皮层神经信息检测电极、电极阵列及其制备方法。

背景技术

大脑结构复杂，是生物体的神经中枢系统，而神经系统是由大量神经细胞组成的极其复杂的信息处理系统，神经细胞之间的信息交流是基于神经电和化学递质两种基本的模式传导，这其中蕴含着大量包括电学和化学在内的、具有时间序列和空间分布的多维信息。对这两种模式的信号开展靶向调控下的特定神经细胞电荷递质双模高时空分辨原位探测，可以弥补单一模式记录造成的信息缺失，是推动神经性疾病检测诊断和康复治疗的基本手段和重要途径，具有重要的科学意义。

癫痫病是一种常见的重大神经系统疾病，据世界卫生组织统计，现今全球大概有六千万的癫痫病患者，而我国癫痫患者能占其中8％。癫痫病病因复杂，治愈和预防难度大。医学研究表明：癫痫发作与相关神经细胞兴奋性递质谷氨酸的升高和异常阵发性放电有关。因此，对相关细胞进行靶向调控下的放电和对谷氨酸活动原位的实时探测，对病灶精准功能定位的手术规划具有重要临床价值，同时对阐明发病机制和发现新的治疗方法具有重要意义。

在神经信息检测方面，目前可以利用宏电极检测脑电异常放电，利用体外微透析方法进行谷氨酸检测，利用光电极进行光遗传研究测试神经细胞放电。但是这些方法均是宏观探测，不是细胞级别探测，因此无法实现对病灶细胞调控下的单神经细胞分辨率的电和谷氨酸化学活动的原位实时探测。除此之外，现有的微电极功能定位只能从癫痫细胞放电活动进行特征提取，信息单一，无法获得递质活动信息，难于实现精准的功能定位识别和手术规划。

发明内容

基于以上问题，本发明的主要目的在于提出一种颅内皮层神经信息检测电极、电极阵列及其制备方法，用于解决以上技术问题的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提出一种颅内皮层神经信息检测电极，包括：基底层，电极层，位于基底层上方，其包括：两端的焊盘，每一焊盘的一部分作为焊盘接口，用于与外接设备连接；置于焊盘之间、且与焊盘分离设置的三电极体系，该三电极体系包括对电极、参比电极和工作电极，工作电极包括交叉排布的：多个微电极，用于检测颅内皮层多个细胞产生的动作电位信号；多个宏电极，用于检测颅内皮层单个细胞产生的场电位信号；绝缘层，覆盖于电极层表面，其具有与焊盘和三电极体系正对的焊盘窗口和电极窗口，以露出焊盘接口、对电极、参比电极和工作电极。

在本发明的一些实施例中，上述颅内皮层电极，还包括：位于基底层和电极层之间的缓冲层，该缓冲层的杨氏模量与基底层的杨氏模量的差值大于2800MPa，优选地，缓冲层的材料包括聚对二甲苯或聚酰亚胺。

在本发明的一些实施例中，上述微电极的直径为1～50μm，所述宏电极的直径为100～500μm。

在本发明的一些实施例中，上述基底层的材料为柔性材料，包括聚二甲基硅氧烷或聚酰亚胺；三电极体系的材质包括铬/金、钛/铂或钽/铂。为了实现上述目的，作为本发明的另一个方面，提出一种颅内皮层神经信息检测电极的制备方法，包括以下步骤：在形成有牺牲层的玻璃片上，在牺牲层表面形成基底层；在基底层表面形成金属层，并在金属层表面旋涂一层光刻胶并放置掩膜板；通过光刻腐蚀，使金属层形成包括两端的焊盘和中间独立设置的三电极体系的电极层；每个焊盘的一部分作为焊盘接口，以用于与外接设备连接；三电极体系的工作电极包括交叉排布的多个微电极和多个宏电极，以用于对颅内皮层的细胞进行检测；在金属层表面形成开有焊盘窗口和电极窗口的绝缘层，以露出焊盘接口、对电极、参比电极和工作电极；将基底层与牺牲层剥离，得到以基底层为基底的颅内皮层神经信息检测电极。

在本发明的一些实施例中，上述颅内皮层电极的制备方法，还包括以下步骤；在基底层表面形成缓冲层，该缓冲层的杨氏模量与基底层的杨氏模量的差值大于2800MPa，金属层形成于缓冲层表面；优选地，缓冲层的材料包括聚对二甲苯或聚酰亚胺。

在本发明的一些实施例中，上述微电极的直径为1～50μm，宏电极的直径为100～500μm。

在本发明的一些实施例中，上述绝缘层的材质包括聚二甲基硅氧烷或SU-8负胶；基底层的材料为柔性材料，包括聚二甲基硅氧烷或聚酰亚胺；电极层的材质包括铬/金、钛/铂或钽/铂。在本发明的一些实施例中，上述绝缘层的电极窗口和焊盘窗口在形成绝缘层后开设。

为了实现上述目的，作为本发明的又一个方面，提出一种颅内皮层神经信息检测电极阵列，由多个上述的颅内皮层神经信息检测电极组成，其中，多个颅内皮层神经信息检测电极共用同一基底层。

本发明提出的颅内皮层神经信息检测电极、电极阵列及其制备方法，具有以下有益效果：

1、由于电极层中，三电极体系的工作电极包括用于检测颅内皮层多个细胞产生的场电位信号的多个宏电极，因此能够实现宏观探测，同时，三电极体系还包括用于感测颅内皮层单个细胞产生的动作电位信号，因此能够同时实现微观探测，因此能够实现对病灶细胞调控下的单细胞分辨率的电和谷氨酸双模信号的检测；且由于宏电极和微电极可设置为多个，因此能够实现多通道同时检测；

2、在基底层和电极层之间设置缓冲层，且缓冲层的杨氏模量远大于基底层的杨氏模量，从而能够有效避免高温条件下基底层裂缝的产生，因此在制备方法中，能够避免形成金属层时基底层表面产生裂缝的问题。

附图说明

图1-10是本发明一实施例提出的颅内皮层神经信息检测电极的制备流程示意图；

图11是本发明另一实施例提出的颅内皮层神经信息检测电极的上表面的图像化结构示意图；

图12是图11中图形化结构中虚线框部分三电极体系的结构放大图；

图13是图12中三电极体系中虚线框部分的细节放大结构示意图；

图14是本发明另一实施例的颅内皮层神经信息检测电极的制备方法中，采用的第一掩膜板的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

针对癫痫病大脑病灶定位和功能区定位的需求，同时考虑到尽量减少对被测神经组织的损伤，提高检测效率，本发明的目的在于：基于微电子机械工艺技术，开发设计一种宏电极与微电极结合的柔性颅内皮层电极阵列，进行癫痫病灶细胞电和谷氨酸双模信号检测，同时通过微观功能定位与宏观结构定位信息融合，从而辅助建立精准定位的手术规划保护新系统。

具体的，本发明提出一种颅内皮层神经信息检测电极，包括：基底层，电极层，位于基底层上方，其包括：两端的焊盘，每一焊盘的一部分作为焊盘接口，用于与外接设备连接；置于焊盘之间、且与焊盘分离设置的三电极体系，该三电极体系包括对电极、参比电极和工作电极，工作电极包括交叉排布的：多个微电极，用于检测颅内皮层多个细胞产生的动作电位信号；多个宏电极，用于检测颅内皮层单个细胞产生的场电位信号；绝缘层，覆盖于电极层表面，其具有与焊盘和三电极体系正对的焊盘窗口和电极窗口，以露出焊盘接口、对电极、参比电极和工作电极。

本发明还提出一种颅内皮层神经信息检测电极的制备方法，包括以下步骤：在形成有牺牲层的玻璃片上，形成基底层于牺牲层表面；在基底层表面形成金属层，并在金属层表面旋涂一层光刻胶并放置掩膜板；通过光刻腐蚀，使金属层形成包括两端的焊盘和中间独立设置的三电极体系的电极层；每个焊盘的一部分作为焊盘接口，以用于与外接设备连接；三电极体系的工作电极包括交叉排布的多个微电极和多个宏电极，以用于对颅内皮层的细胞进行检测；在金属层表面形成开有焊盘窗口和电极窗口的绝缘层，以露出焊盘接口、对电极、参比电极和工作电极；将基底层与牺牲层剥离，得到以基底层为基底的颅内皮层神经信息检测电极。

因此，由于本发明的电极层中，三电极体系的工作电极包括用于检测颅内皮层多个细胞产生的场电位信号的多个宏电极，因此能够实现宏观探测，同时，三电极体系还包括用于感测颅内皮层单个细胞产生的动作电位信号，因此能够同时实现微观探测，因此能够实现对病灶细胞调控下的单细胞分辨率的电和谷氨酸双模信号的检测；且由于宏电极和微电极可设置为多个，因此能够实现多通道同时检测。

在本发明的一些实施例中，上述颅内皮层神经信息检测电极，还包括：位于基底层和电极层之间的缓冲层；对应地，上述颅内皮层神经信息检测电极的制备方法中，还包括以下步骤；在基底层表面形成缓冲层，该缓冲层的杨氏模量与基底层的杨氏模量的差值大于2800MPa，金属层形成于缓冲层表面；优选地，缓冲层的材料包括聚对二甲苯或聚酰亚胺。因此在制备方法中，能够避免形成金属层时基底层表面产生裂缝的问题。

在本发明的一些实施例中，设计了一种宏电极与微电极结合的柔性颅内皮层神经信息检测电极，是以聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料为基底进行制备的。PDMS材料，因其具有较好的柔性，较高的生物相容性以及优异的绝缘性，被广泛应用于柔性电极阵列的制备。电极阵列中同时集成了宏电极和微电极，且电极位置可以根据实际需要进行排布。

在本发明的一些实施例中，上述微电极的直径为10～50μm，所述宏电极的直径为100～500μm，因此，微电极能够用于实现微观检测，用于检测颅内皮层单个细胞产生的动作电位信号；宏电极能够用于实现宏观检测，用于检测颅内皮层多个细胞产生的场电位信号。

在本发明的一些实施例中，上述绝缘层的材质包括聚二甲基硅氧烷或SU-8负胶；基底层的材料为柔性材料，包括聚二甲基硅氧烷或聚酰亚胺；电极层的材质包括铬/金、钛/铂或钽/铂。

在本发明的一些实施例中，上述绝缘层的电极窗口和焊盘窗口在形成绝缘层后开设。

基于上述的颅内皮层神经信息检测电极及其制备方法，提出一种颅内皮层神经信息检测电极阵列，由多个上述的颅内皮层神经信息检测电极组成，其中，多个颅内皮层神经信息检测电极共用同一基底层。从而实现更多通道的同时检测。

在本发明的一些实施例中，上述颅内皮层神经信息检测电极的制备方法中，在形成基底层于牺牲层表面后，需要将已形成的器件结构置于热板上烘烤一段时间，例如，先置于65℃的热板上烘烤30min后，再置于120℃的热板上烘烤1h；从而有效的避免基底层产生气泡，从而避免对后续工艺的影响，得到高性能的颅内皮层神经信息检测电极。

本发明提出的颅内皮层神经信息检测电极上集成有宏电极与微电极，以便在同一芯片上能够检测出大量信息，从而具有高通量的特征，实现多通道检测，能检测的通道数为微电极个数和宏电极个数的总和。

请参照图1-10所示，在本发明的一些实施例中，提出一种颅内皮层神经信息检测电极的制备方法，具体的设计和制作过程为：

1、将玻璃片10置于重铬酸钾与浓硫酸配成的玻璃洗液中，静置24小时，利用洗液的强氧化性去除玻璃片表面的无机和有机杂质。取出后，先用去离子水冲洗，以便去除残余的玻璃洗液；然后依次在丙酮、乙醇溶液中超声清洗3min，最后用去离子水超声清洗3min，用气枪吹干玻璃表面的水，置于80℃烘箱内，烘烤20min，彻底去除玻璃片表面水分；

2、利用氧等离子清洗对玻璃片进行清洗，功率为50W，时间为3min，以提高溅射的图形质量；然后如图1所示，在玻璃片10表面溅射一层200nm的聚四氟乙烯20作为牺牲层；溅射聚四氟乙烯20的目的是为了使作为颅内皮层神经信息检测电极基底层30的PDMS更好的从玻璃片10表面剥离；

3、如图2所示，在聚四氟乙烯20表面旋涂一层PDMS作为基底层30，转速1000r/min，厚度为100μm，置于65℃的热板上烘烤30min后，在置于120℃的热板上烘烤1h，这样能够有效的避免PDMS层产生气泡，影响后续工艺；

4、如图3所示，在PDMS表面蒸镀一层聚对二甲苯作为缓冲层31，厚度为5μm，在利用氧等离子清洗机对聚对二甲苯31表面进行刻蚀，功率为50W，时间为2min；由于PMDS较软，易产生形变，因此在PDMS表面溅射金属层32的过程中，由于温度变化，易使PDMS产生裂缝，从而影响器件性能；聚对二甲苯与PDMS的杨氏模量存在较大差异，因此，在PDMS表面蒸镀聚对二甲苯能够有效避免溅射金属层32时表面产生裂缝的问题；

5、如图4所示，在上述聚对二甲苯表面溅射一层厚度为30nm的铬种子层，以增加金导电薄膜层的粘附性，然后溅射厚度为300nm的金薄膜层，完成金属层32的制备；

6、如图5所示，利用氧等离子清洗机对金表面清洗3min，功率为50W，然后在金表面旋涂一层正性光刻胶AZ1500 40，转速为1000r/min，厚度1μm左右，置于100℃的热板上前烘5min；利用第一块掩膜版对光刻胶层进行光刻，曝光时间23s；在0.6％的NaOH溶液中显影15s，去离子水中漂洗，吹干；从而将掩膜版上所有三电极体系(宏电极、微电极、参比电极、对电极)、电极引线及焊盘等图形随即被转移到光刻胶表面；

7、利用金腐蚀液对暴露出的金属层进行腐蚀，利用铬腐蚀液对铬层进行腐蚀，从而出现三电极图形和焊盘图形；

8、将腐蚀完成的器件浸于丙酮中，如图6所示，光刻胶层被溶解，仅留下所需的三电极体系321、焊盘322及相应的电极引线，以使金属层32形成电极层；

9、如图7所示，在制备好的电极层32表面，再旋涂一层PDMS 33，厚度为4μm，如图8所示，随后用步骤6相同的方法旋涂光刻胶50，利用第二块掩膜版，进行光刻，形成刻蚀PDMS窗口的掩膜。通过O₂和SF₆混合气对PDMS进行等离子刻蚀，暴露出宏电极、微电极、对电极、参比电极及触点，保留所有引线表面覆盖的PDMS绝缘层，得到如图9所示的结构。

10、将基底层30从聚四氟乙烯20表面剥离，如图10所示，得到以PDMS层30为基底的颅内皮层神经信息检测电极。

以下通过具体实施例，对本发明提出的颅内皮层神经信息检测电极、电极阵列及其制备方法进行详细描述。

实施例1

本实施例提出一种颅内皮层神经信息检测电极、电极阵列及其制备方法，如图11-12所示，为本实施例的检测电极上表面的图形化结构，本实施例的检测电极具体包括：基底层PDMS；缓冲层聚对二甲苯，位于基底层上表面；电极层(铬/金)，位于缓冲层上表面，如图11所示，其具体包括：两端的焊盘6，每一焊盘的一部分作为焊盘接口，用于与外接设备连接；置于焊盘6之间、且与焊盘6分离设置的三电极体系，该三电极体系包括对电极3、参比电极4和工作电极，工作电极包括交叉排布的：多个微电极1，用于检测颅内皮层多个细胞产生的动作电位信号；多个宏电极2，用于检测颅内皮层单个细胞产生的场电位信号；绝缘层5，覆盖于电极层表面，其具有与焊盘6和三电极体系正对的焊盘窗口和电极窗口，以露出焊盘接口、对电极3、参比电极4和工作电极。

本实施例提出的颅内皮层神经信息检测电极阵列的制备方法具体为：

选取3寸玻璃片，分别用丙酮、乙醇、去离子水清洗，清洗后在表面溅射聚四氟乙烯，通过甩胶机在表面旋涂一层PDMS，厚度100μm，为防止直接在PDMS表面溅射金会出现裂缝的问题，在PDMS表面蒸镀一层聚对二甲苯，在聚对二甲苯表面溅射铬/金，然后在金表面甩胶光刻，采用如图14所示的掩膜板，显影后用金腐蚀液和铬腐蚀液进行刻蚀，在表面再旋涂一层PDMS，采用SF₆和O₂混合气体进行干刻蚀开窗口，最后将制作好的电极从聚四氟乙烯表面释放。

本实施例的颅内皮层神经信息检测电极阵列能够用于癫痫病灶功能定位，如图12所示，设计的电极阵列可以进行6通道(微电极个数+宏电极个数)同时检测，其中，如图13所示，宏电极直径为500μm，宏电极可以检测多个细胞产生的场电位信号，进行宏观结构定位；微电极直径为30μm，微电极可以检测单个细胞产生的动作电位(Spike)信号，进行微观功能定位。

实施例2

本实施例提出一种颅内皮层神经信息检测电极、电极阵列及其制备方法，结构与实施例1中的结构相同，制备方法与实施例1中的制备方法的区别仅在于：本实施例在显影后用金腐蚀液和铬腐蚀液进行刻蚀后，在表面旋涂一层SU-8负胶，而非PDMS，因此无需进行干刻蚀，而是对SU-8胶进行显影光刻开窗口。

实施例3

本实施例提出一种颅内皮层神经信息检测电极、电极阵列及其制备方法，结构与实施例2中的结构相同，制备方法与实施例2中的制备方法的区别仅在于：本实施例在清洗后的3寸玻璃片表面溅射铝作为牺牲层，而非聚四氟乙烯。

综上所述，由于本发明的颅内皮层神经信息检测电极的电极层中，三电极体系的工作电极包括用于检测颅内皮层多个细胞产生的场电位信号的多个宏电极，因此能够实现宏观探测，同时，三电极体系还包括用于感测颅内皮层单个细胞产生的动作电位信号，因此能够同时实现微观探测，因此能够实现对病灶细胞调控下的单细胞分辨率的电和谷氨酸双模信号的检测；且由于宏电极和微电极可设置为多个，因此能够实现多通道同时检测。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种颅内皮层神经信息检测电极，包括：

基底层，所述基底层的材料为柔性材料，所述基底层包括聚二甲基硅氧烷或聚酰亚胺；

电极层，位于所述基底层上方，其包括：

两端的焊盘，每一焊盘的一部分作为焊盘接口，用于与外接设备连接；

置于焊盘之间、且与焊盘分离设置的三电极体系，所述三电极体系包括对电极、参比电极和工作电极，所述工作电极包括交叉排布的：

多个微电极，用于检测颅内皮层多个细胞产生的动作电位信号；

多个宏电极，用于检测颅内皮层单个细胞产生的场电位信号；

绝缘层，覆盖于所述电极层表面，其具有与焊盘和三电极体系正对的焊盘窗口和电极窗口，以露出所述焊盘接口、对电极、参比电极和工作电极；

缓冲层，位于所述基底层和电极层之间，所述缓冲层的杨氏模量与所述基底层的杨氏模量的差值大于2800MPa。

2.根据权利要求1所述的颅内皮层神经信息检测电极，其中，所述缓冲层包括聚对二甲苯或聚酰亚胺。

3.根据权利要求1所述的颅内皮层神经信息检测电极，其中，所述微电极的直径为1～50μm，所述宏电极的直径为100～500μm。

4.根据权利要求1所述的颅内皮层神经信息检测电极，其中，所述三电极体系的材料包括铬/金、钛/铂或钽/铂。

5.一种颅内皮层神经信息检测电极阵列，由多个权利要求1至4中任一项所述的颅内皮层神经信息检测电极组成，其中，所述多个颅内皮层神经信息检测电极共用同一基底层。

6.一种颅内皮层神经信息检测电极的制备方法，包括以下步骤：

在形成有牺牲层的玻璃片上，在牺牲层表面形成基底层；所述基底层的材料为柔性材料，包括聚二甲基硅氧烷或聚酰亚胺；

在所述基底层表面形成缓冲层，所述缓冲层的杨氏模量与所述基底层的杨氏模量的差值大于2800Mpa；

金属层形成于所述缓冲层表面，并在所述金属层表面旋涂一层光刻胶并放置掩膜板；

通过光刻腐蚀，使所述金属层形成包括两端的焊盘和中间独立设置的三电极体系的电极层；每个焊盘的一部分作为焊盘接口，以用于与外接设备连接；所述三电极体系的工作电极包括交叉排布的多个微电极和多个宏电极，以用于对所述颅内皮层的细胞进行检测；

在所述金属层表面形成开有焊盘窗口和电极窗口的绝缘层，以露出所述焊盘接口、对电极、参比电极和工作电极；

将所述基底层与所述牺牲层剥离，得到以所述基底层为基底的颅内皮层神经信息检测电极。

7.根据权利要求6所述的颅内皮层神经信息检测电极的制备方法，其中，

所述缓冲层的材料包括聚对二甲苯或聚酰亚胺。

8.根据权利要求6所述的颅内皮层神经信息检测电极的制备方法，其中，所述微电极直径为1～50μm，所述宏电极直径为100～500μm。

9.根据权利要求6所述的颅内皮层神经信息检测电极的制备方法，其中，所述绝缘层的材质包括聚二甲基硅氧烷或SU-8负胶；所述电极层的材质包括铬/金、钛/铂或钽/铂。

10.根据权利要求6所述的颅内皮层神经信息检测电极的制备方法，其中，所述绝缘层的电极窗口和焊盘窗口在形成所述绝缘层后开设。