CN107684417B - 基于液态金属微流道的注射式微针电极及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于液态金属微流道的注射式微针电极及其制备方法，所述注射式微针电极包括柔性聚合物微针管(1)、柔性聚合物微流道(2)、液态金属(3)、金属连接片(4)、硅胶软管(5)和微注射泵(6)等部分。本发明兼顾液态金属在流动性和导电性方面的优势，首次将其用于注射式微针电极的制备，而且柔性聚合物微流道的应用为注射式微针电极阵列的制备提供便利，可以实现对多个位点的生理信号检测和电刺激。本发明采用微注射泵的方式将液态金属注射到微流道中，最终进入微针管内形成液态金属微电极或电极阵列，相比于传统的固体金属微针电极具有柔性高、可注射以及制作工艺简单，成本低廉等优点。

Description

基于液态金属微流道的注射式微针电极及其制备方法
技术领域
本发明涉及医用材料领域，具体地说，涉及一种基于液态金属微流道的注射式微针电极及其制备方法。
背景技术
中枢神经系统是人体中最复杂的生理系统之一，承载着多种重要的生理功能。一方面，人们对神经系统的研究往往通过检测中枢神经系统的生理电信号，从而进一步推断神经系统的各种行为；另一方面，对神经系统施加特定的电刺激信号可以对神经系统进行调控，用以治疗相关的神经系统疾病，例如，对大脑深部进行电刺激在一定程度上可以减轻帕金森病甚至是阿尔茨海默病的症状。近些年来，随着人们对脑科学认识的加深以及电子技术的进步，通过人造电子神经植入物治疗中枢神经系统疾病的方法开始在生物医学领域得到广泛应用。对中枢神经系统的电刺激往往需要多根电极组成的微电极阵列，而对于脑深部的神经电刺激则需要微针电极阵列。
目前的微针电极阵列多采用微加工技术在硅板表面刻蚀出相应的微针电极，或将极细的金属丝固定在硅板上作为微针电极。随着研究的深入，人们发现直接将电极植入人体内在短时间内具有很好的使用效果，但是随着时间的推移，电极会逐渐失去作用。有研究表明，造成这种现象的主要原因在于脑组织对植入物的免疫反应。一方面是电极材料本身与脑组织之间存在免疫反应；另一方面是电极在插入脑部的过程中对脑组织造成机械性损伤。为解决上述问题，目前的研究重点在于改善微针电极机械性能，采用柔性电极材料取代传统的坚硬金属丝，如高分子导电材料等。而且，中枢神经系统植入物一般通过手术植入人体，而电极的取出则需要进行二次手术，容易造成二次伤害。此外，用于神经信号检测或电刺激的电极往往采用铂金一类的贵金属材料，因而成本较高，且造成资源的浪费。
液态金属是一类熔点较低的金属或合金，如常见的金属汞。金属汞具有很强的毒性，因而很难应用于生物医学领域。其他类型的液态金属，如镓基合金和铟基合金等材料在常温下也可以保持液态，而且具有金属的导电性和导热性，重要的是，此类合金生物毒性较低，可以用于生物医学领域，例如有研究将铋铟锡合金用于制造新型的合金骨水泥，将液态金属用于断裂外周神经的重新连接等。
发明内容
本发明针对目前微针电极存在的问题和不足，提出了一种基于液态金属微流道的注射式微针电极及其制备方法。
为了实现本发明目的，本发明提供的基于液态金属微流道的注射式微针电极，包括柔性聚合物微针管1、柔性聚合物微流道2、液态金属3、金属连接片4、硅胶软管5和微注射泵6；
所述柔性聚合物微针管1呈圆锥形，沿其中轴线是内径为1-500微米的空心圆管，将其尖端作为电极端，另一端为非电极端；
所述柔性聚合物微流道2与所述柔性聚合物微针管1垂直连接，所述柔性聚合物微流道2是指内部设有一条通道的长方形硅片，硅片厚度为1-2mm，该通道的一个端口设置在所述长方形硅片的横截面中央，在该端口内插入所述硅胶软管5，通过硅胶软管与所述微注射泵6连接；该通道沿着与所述长方形硅片长边平行的中轴线设置，通道的另一端与所述柔性聚合物微针管1的空心圆管连通；
所述金属连接片4呈U形，位于所述柔性聚合物微流道2和所述硅胶软管5的接口处，一端插入微流道内，另一端暴露在微流道的硅片表面，用于与检测仪器相连；
所述微注射泵6内填充液态金属3，使用时将液态金属3通过硅胶软管5注射到柔性聚合物微流道2内，再由微流道进入柔性聚合物微针管1内，最终到达顶端，形成电极端。
所述柔性聚合物微针管由柔性聚合物材料铸模而成。本发明使用的柔性聚合物包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)等弹性高分子材料。例如，采用Dow Corning公司生产的PDMS材料。此类材料具有较高的柔性和可拉伸特性，并且生物相容性较好，被广泛应用于植入式电极的制备。此外，其他种类的聚合物材料如硅胶、树脂等也可以用于微流道的制备。
本发明中用于铸模制备所述柔性聚合物微针管的材料为聚二甲基硅氧烷和硅胶固化剂按10:1-5(优选10:1)的质量比混合制成。其中，所述硅胶固化剂为缩聚型双组份硅橡胶(RTV-2)交联剂，购自深圳荣兴达公司。
所述柔性聚合物微针管1和柔性聚合物微流道2可采用等离子键合的方法粘合连接。
所述液态金属是在常温下保持液态的一类金属或合金材料，包括镓基合金、铟基合金、铋基合金等；或者，所述液态金属是金属表面经过修饰的合金材料，所述修饰包括氧化或电镀处理。
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，如镓铟合金、镓铟锡合金或铋铟锡合金等。
优选地，所述液态金属是由镓和铟按75.5：24.5的质量比组成的镓铟合金，所述镓铟合金的熔点为10.35℃。
本发明采用微注射泵注射液态金属，其他类型的注射方式，如气泵、注射器等同样属于本发明保护范围内。
本发明还提供所述注射式微针电极的制备方法，包括以下步骤：
1)制备柔性聚合物微针管：采用3D打印或精加工技术制作微针管的浇注模具，将聚二甲基硅氧烷和硅胶固化剂按比例混合，灌注到模具中，于75℃加热0.5-1h(优选1h)，然后降至室温，取下模具即得柔性聚合物微针管；
2)制备柔性聚合物微流道：采用蚀刻技术在一块厚度为1-2mm的长方形硅片内部形成一条L形通道，该通道的一个端口设置在所述长方形硅片的横截面中央，该通道沿着与所述长方形硅片长边平行的中轴线设置，通道的另一端口设置在与所述长方形硅片的横截面平行方向上的硅片外表面；
3)将步骤1)和步骤2)制得的柔性聚合物微针管和柔性聚合物微流道采用等离子键合的方法垂直连接，使所述柔性聚合物微流道与所述柔性聚合物微针管的空心圆管连通；
所述等离子键合的操作方法具体如下：将柔性聚合物微针管和柔性聚合物微流道贴合在一起，放入PDMS芯片等离子键合机(型号为GPC-102A，购自通罗马科技(北京)有限公司)中；首先对等离子键合机的腔体进行抽真空处理；然后使用氧气反复冲洗，排除其余气体；关闭氧气流，将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；
4)将U形金属连接片一端插入到柔性聚合物微流道位于边缘的端口，并将硅胶软管插入其中；将硅胶软管的另一端连接填充有液态金属的微注射泵，即得。
前述的方法，步骤2)中所述通道的高度为50微米，宽度为100微米。
本发明还提供将多根基于液态金属微流道的注射式微针电极组合成的电极阵列，包括若干个柔性聚合物微针管1、柔性聚合物微流道阵列2′、液态金属3、金属连接片4、硅胶软管5和微注射泵6；
所述柔性聚合物微针管1呈圆锥形，沿其中轴线是内径为1-500微米的空心圆管，将其尖端作为电极端，另一端为非电极端；每个柔性聚合物微针管与一条柔性聚合物微流道相对应，柔性聚合物微流道与所述柔性聚合物微针管1垂直连接；
所述柔性聚合物微流道阵列2′呈辐射状分布在一个圆形硅片上，硅片厚度为1-2mm，每条微流道的一端与相应柔性聚合物微针管1的空心圆管连通，微流道的另一端汇集于圆形硅片中央，通过所述硅胶软管5与所述微注射泵6连接；
所述金属连接片4呈U形，位于所述硅胶软管5与所述微注射泵6的接口处，其一端插入硅胶软管内，另一端暴露在硅胶软管的外侧，用于与检测仪器相连；
所述微注射泵6内填充液态金属3，使用时将液态金属3通过硅胶软管5注射到柔性聚合物微流道2内，再由微流道进入柔性聚合物微针管1内，最终到达顶端管口，形成电极阵列。
采用光掩模技术制备柔性聚合物微流道：在硅片表面涂一层感光胶，将带有微流道图案的遮光胶片放置在感光胶层上，再使用紫外光对其照射一段时间；取下遮光胶片后使用显影剂对感光胶进行冲洗，再将PDMS混合液涂抹在感光胶表面，于75℃加热0.5-1h(优选1h)；待混合液固化成膜后，将其揭下即得柔性聚合物微流道；其中，所述PDMS混合液为聚二甲基硅氧烷和硅胶固化剂按10:1-5(优选10:1)的质量比混合制成。
其中，进行紫外照射的条件为：紫外光的照射强度为90μW/cm2、照射距离1m左右，照射时间约30分钟。
将铸模得到的柔性聚合物微针管和采用光掩模技术制得的柔性聚合物微流道采用如上所述的等离子键合的方法粘合，垂直连接。
本发明兼顾液态金属在流动性和导电性方面的优势，首次将其用于注射式微针电极的制备，而且柔性聚合物微流道的应用为注射式微针电极阵列的制备提供便利，可以实现对多个位点的生理信号检测和电刺激。本发明采用微注射泵的方式将液态金属注射到微流道中，最终进入微针管内形成液态金属微电极或电极阵列，相比于传统的固体金属微针电极具有柔性高、可注射以及制作工艺简单，成本低廉等优点。具体如下：
(一)本发明将液态金属灌注到柔性聚合物材料制作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柔性聚合物材料的特性。这种电极具有与生物组织相近的力学特性，尽可能地减小对生物组织的机械伤害。
(二)本发明使用微注射泵实现液态金属的注射和回收。将微针电极植入到人体后，使用微注射泵将液态金属灌注到微针电极尖端，与神经组织接触，进而释放电刺激信号或采集生理电信号；植入电极使用结束后，再使用微注射泵将液态金属抽离微流道，因而不必进行二次手术就可以将电极取出。
(三)本发明使用的液态金属为镓铟合金，而且可以重复使用，相比于传统的一次性铂金电极，成本更低，制作工艺更为简单。
附图说明
图1为本发明实施例1中基于液态金属微流道的注射式微针电极的整体结构示意图(左)和剖面视图(右)。
图2为本发明实施例2中基于液态金属微流道的注射式微针电极阵列的整体结构示意图。
图3为本发明实施例2中注射式微针电极阵列的加工过程示意图。
图中，1：柔性聚合物微针管；2：柔性聚合物微流道；2′：柔性聚合物微流道阵列；3：液态金属；4：金属连接片；5：硅胶软管；6：微注射泵；7：圆形硅片；3a：柔性聚合物微流道阵列；3b：圆形硅片；3c：感光胶层；3d：遮光胶片；3e：微流道聚合物薄膜；3f：硅胶软管；3g：金属连接片；3h：微注射泵。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，所用原料均为市售商品。
以下实施例中所用液态金属是由镓和铟按75.5：24.5的质量比组成的镓铟合金，镓铟合金的熔点为10.35℃。实验表明，镓铟合金不能溶解于水中，不易被皮肤吸收，使用安全。
用于铸模制备所述柔性聚合物微针管的材料为聚二甲基硅氧烷(Dow Corning公司)和硅胶固化剂按10:1的质量比混合制成。其中，所述硅胶固化剂为缩聚型双组份硅橡胶(RTV-2)交联剂，购自深圳荣兴达公司。
在本发明的描述中，除非另有说明，术语“上”、“下”等指示的方位或状态关系仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1基于液态金属微流道的注射式微针电极及其制备方法
本实施例提供的基于液态金属微流道的注射式微针电极(图1)，包括柔性聚合物微针管1、柔性聚合物微流道2、液态金属3、金属连接片4、硅胶软管5和微注射泵6。
所述柔性聚合物微针管1呈圆锥形，其内部是内径为500微米的空心圆管；所述柔性聚合物微流道2位于柔性聚合物微针管1的下方，是一个1毫米厚的长方形硅片薄膜，薄膜内是高度为50微米，宽度为100微米的微流道，薄膜上表面与柔性聚合物微针管1粘合；所述液态金属3灌注在柔性聚合物微针管1和柔性聚合物微流道2内；所述金属连接片4是一个U形金属片，一端插入微流道内，另一端贴敷在微流道外表面；所述硅胶软管5用于连接柔性聚合物微流道2和微注射泵6。
制备方法包括以下步骤：
1)制备柔性聚合物微针管：采用3D打印或精加工技术制作微针管的浇注模具，将聚二甲基硅氧烷和硅胶固化剂按比例混合，灌注到模具中，于75℃加热1h，然后降至室温，取下模具即得柔性聚合物微针管；
2)制备柔性聚合物微流道：采用蚀刻技术在一块厚度为1mm的长方形硅片内部形成一条L形通道，该通道的一个端口设置在所述长方形硅片的横截面中央，该通道沿着与所述长方形硅片长边平行的中轴线设置，通道的另一端口设置在与所述长方形硅片的横截面平行方向上的硅片外表面；
3)将步骤1)和步骤2)制得的柔性聚合物微针管和柔性聚合物微流道采用等离子键合的方法垂直连接，使所述柔性聚合物微流道与所述柔性聚合物微针管的空心圆管连通；
所述等离子键合的操作方法具体如下：将柔性聚合物微针管和柔性聚合物微流道贴合在一起，放入PDMS芯片等离子键合机(型号为GPC-102A，购自通罗马科技(北京)有限公司)中；首先对等离子键合机的腔体进行抽真空处理；然后使用氧气反复冲洗，排除其余气体；关闭氧气流，将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；
4)将U形金属连接片一端插入到柔性聚合物微流道位于边缘的端口，并将硅胶软管插入其中；将硅胶软管的另一端连接填充有液态金属的微注射泵，即得。
经检测，本实施例中制备的基于液态金属微流道的注射式微针电极具有更低的电阻抗特性，且电化学性质稳定，变化幅度控制在5％以内。
实施例2基于液态金属微流道的注射式微针电极阵列及其制备方法
本实施例提供将实施例1制备的多根基于液态金属微流道的注射式微针电极组合成的电极阵列(图2)，其柔性聚合物微针管1的下端整合在一块圆形柔性聚合物薄膜(硅片)7上，形成具有12个电极的圆形阵列；多条柔性聚合物微流道2′一端与柔性聚合物微针管1相连，另一端集中在圆形聚合物薄膜7中央；柔性聚合物微流道2′后方通过硅胶软管5与微注射泵6连接，金属连接片4均匀分布在硅胶软管5的外侧。
所述注射式微针电极阵列的加工过程示意图见图3。首先通过铸模的方法制得柔性聚合物微针管阵列3a；然后，在一块平整的硅片3b表面均匀旋涂一层50μm厚的感光胶3c，将事先设计的带有微流道图案的遮光胶片3d放置在感光胶3c的上表面；使用紫外光对其进行照射30分钟，取下遮光胶片3d使用显影剂对感光胶进行冲洗；冲洗干净后，将PDMS混合液均匀涂抹在感光胶3c表面，并将该感光胶3c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聚合物薄膜；然后使用等离子键合的方法粘合柔性聚合物微针管阵列3a和微流道聚合物薄膜3e；然后插入硅胶软管3f和金属连接片3g；最后连接微注射泵3h注入液态金属。
其中，进行紫外照射的条件为：紫外光的照射强度为90μW/cm2、照射距离1m左右，照射时间约30分钟。
所述PDMS混合液为聚二甲基硅氧烷和硅胶固化剂按10:1的质量比混合制成。
利用以上制备的基于液态金属微流道的注射式微针电极阵列可以实现对多个位点的生理信号检测和电刺激。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.基于液态金属微流道的注射式微针电极，其特征在于，包括柔性聚合物微针管(1)、柔性聚合物微流道(2)、液态金属(3)、金属连接片(4)、硅胶软管(5)和微注射泵(6)；
所述柔性聚合物微针管(1)呈圆锥形，沿其中轴线是内径为1-500微米的空心圆管，将其尖端作为电极端，另一端为非电极端；
所述柔性聚合物微流道(2)与所述柔性聚合物微针管(1)垂直连接，所述柔性聚合物微流道(2)是指内部设有一条通道的长方形硅片，硅片厚度为1-2mm，该通道的一个端口设置在所述长方形硅片的横截面中央，在该端口内插入所述硅胶软管(5)，通过硅胶软管与所述微注射泵(6)连接；该通道沿着与所述长方形硅片长边平行的中轴线设置，通道的另一端与所述柔性聚合物微针管(1)的空心圆管连通；
所述金属连接片(4)呈U形，位于所述柔性聚合物微流道(2)和所述硅胶软管(5)的接口处，一端插入微流道内，另一端暴露在微流道的硅片表面，用于与检测仪器相连；
所述微注射泵(6)内填充液态金属(3)，使用时将液态金属(3)通过硅胶软管(5)注射到柔性聚合物微流道(2)内，再由微流道进入柔性聚合物微针管(1)内，最终到达顶端管口，形成电极端；
用于制备所述柔性聚合物微针管的材料为聚二甲基硅氧烷和硅胶固化剂按10:1-5的质量比混合制成；
所述液态金属是由镓和铟按75.5：24.5的质量比组成的镓铟合金，所述镓铟合金的熔点为10.35℃。
2.根据权利要求1所述的注射式微针电极，其特征在于，将所述柔性聚合物微针管(1)和柔性聚合物微流道(2)采用等离子键合的方法粘合连接。
3.权利要求1或2所述注射式微针电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制备柔性聚合物微针管：采用3D打印或精加工技术制作微针管的浇注模具，将聚二甲基硅氧烷和硅胶固化剂按比例混合，灌注到模具中，于75℃加热0.5-1h，然后降至室温，取下模具即得柔性聚合物微针管；
2)制备柔性聚合物微流道：采用蚀刻技术在一块厚度为1-2mm的长方形硅片内部形成一条L形通道，该通道的一个端口设置在所述长方形硅片的横截面中央，该通道沿着与所述长方形硅片长边平行的中轴线设置，通道的另一端口设置在与所述长方形硅片的横截面平行方向上的硅片外表面；
3)将步骤1)和步骤2)制得的柔性聚合物微针管和柔性聚合物微流道采用等离子键合的方法垂直连接，使所述柔性聚合物微流道与所述柔性聚合物微针管的空心圆管连通；
4)将U形金属连接片一端插入到柔性聚合物微流道位于边缘的端口，并将硅胶软管插入其中；将硅胶软管的另一端连接填充有液态金属的微注射泵，即得。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤2)中所述通道的高度为50微米，宽度为100微米。
5.基于液态金属微流道的注射式微针电极阵列，其特征在于，包括若干个柔性聚合物微针管(1)、柔性聚合物微流道阵列(2′)、液态金属(3)、金属连接片(4)、硅胶软管(5)和微注射泵(6)；
所述柔性聚合物微针管(1)呈圆锥形，沿其中轴线是内径为1-500微米的空心圆管，将其尖端作为电极端，另一端为非电极端；每个柔性聚合物微针管与一条柔性聚合物微流道相对应，柔性聚合物微流道与所述柔性聚合物微针管(1)垂直连接；
所述柔性聚合物微流道阵列(2′)呈辐射状分布在一个圆形硅片上，硅片厚度为1-2mm，每条微流道的一端与相应柔性聚合物微针管(1)的空心圆管连通，微流道的另一端汇聚于圆形硅片中央，通过所述硅胶软管(5)与所述微注射泵(6)连接；
所述金属连接片(4)呈U形，位于所述硅胶软管(5)与所述微注射泵(6)的接口处，其一端插入硅胶软管内，另一端暴露在硅胶软管的外侧，用于与检测仪器相连；
所述微注射泵(6)内填充液态金属(3)，使用时将液态金属(3)通过硅胶软管(5)注射到柔性聚合物微流道(2)内，再由微流道进入柔性聚合物微针管(1)内，最终到达顶端管口，形成电极阵列；
用于制备所述柔性聚合物微针管的材料为聚二甲基硅氧烷和硅胶固化剂按10:1-5的质量比混合制成；所述柔性聚合物微针管(1)和柔性聚合物微流道采用等离子键合的方法粘合连接；
所述液态金属是由镓和铟按75.5：24.5的质量比组成的镓铟合金，所述镓铟合金的熔点为10.35℃。
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