CN108254414B - 一种柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片及其制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片及其制备方法和用途，所述集成芯片包括：柔性基底、微电极、引线、多个焊盘和绝缘层；其中，多个所述微电极以阵列形式植于所述柔性基底上并突出于所述柔性基底的上表面；所述微电极均通过引线连接到处于所述柔性基底边缘的多个焊盘；所述引线的表面覆盖有绝缘层；所述柔性基底内设有微沟道，所述微沟道的第一端口位于所述柔性基底的上表面，与外界连通，第二端口位于所述柔性基底的侧面，与外界连通。本发明集成芯片集成了离体多通道记录电生理信号、多位点给药刺激功能，生物相容性好、性能稳定、重复性好、使用方便。
Description
技术领域
本发明涉及生物传感器的微加工技术领域，尤其涉及一种柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片及其制备方法和用途。
背景技术
长期以来，针对离体神经电生理检测的电极，主要是基于玻璃微电极的电压钳、膜片钳。这些手段使得人们在微观上对细胞膜离子通道以及神经细胞放电幅频特征有了较深入的了解。但这些传统电极存在两个共同缺陷，一是检测过程中需要对神经元细胞进行穿刺，这样会不可避免地改变细胞的电特性，以及缩短细胞的寿命，不利于长期检测；二是难以一次性对许多神经元同时成功穿刺，所以也不能对整个神经元网络中的群体神经细胞进行同时检测。在深入研究神经网络特性、神经信息编码传递、神经突触发育过程时，经常需要对多个神经细胞进行长达几天甚至几个星期的同步检测，以获取大量样本信息。传统玻璃微电极显然已不能满足这样的需求，相关研究工作也受到了很大的制约。
随着20世纪微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)的蓬勃发展，以及生物微机电系统(BioMEMS)领域新思路的不断涌现，离体神经信息检测器件的结构与功能实现了质的飞跃。平面微电极阵列(Micro-electrode Array，MEA)是一种离体神经信息记录技术，被Thomas和Gross等介绍进神经科学领域的研究，应用于脑片记录已经超过20年时间。MEA技术为神经电生理研究提供了一种新的手段，它可以同时记录脑切片上多个位点的电信号，在研究脑区神经元的网络信息传播时空特性以及编码机制也具有优势。目前，德国Multichannel Systems公司生产的微电极阵列已经商业化，相关应用也形成一定规模。但是这种商业化微电极阵列无法实现局部给药刺激，只能对脑片进行整体灌流。而在脑片检测过程中，局部给药刺激后观察其他区域神经元电信号发放的规律变化可进一步了解神经元网络的结构功能。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片，实现离体多通道记录电生理信号和多位点给药刺激。
为达此目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片，包括：柔性基底、微电极、引线、多个焊盘和绝缘层；
其中，多个所述微电极以阵列形式植于所述柔性基底上并突出于所述柔性基底的上表面；所述微电极均通过引线连接到处于所述柔性基底边缘的多个焊盘；所述引线的表面覆盖有绝缘层；
所述柔性基底内设有微沟道，所述微沟道的第一端口位于所述柔性基底的上表面，与外界连通，第二端口位于所述柔性基底的侧面，与外界连通。
本发明所述的“包括”，意指其除所述构造外，还可以包括其他构造，这些其他构造赋予所述柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片不同的特性。除此之外，本发明所述的“包括”，还可以替换为封闭式的“为”或“由……组成”。
利用本发明集成芯片对离体组织进行检测的过程示例为：多通道微电极记录脑切片上多个位点的神经电生理信号的同时，通过微孔道对脑切片进行局部或多位点给药刺激，观察不同条件下神经元编码情况。
本发明提供了一种新型的柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片，集成了离体多通道记录电生理信号、多位点给药刺激功能，生物相容性好、性能稳定、重复性好、使用方便。
优选地，所述微电极按照8×8的阵列排布。
优选地，所述微电极均为铂电极和/或金电极。
优选地，所述微电极为圆柱形。
优选地，所述微电极的直径为10～30微米，例如10微米、12微米、15微米、18微米、20微米、22微米、25微米、28微米或30微米等。
优选地，相临所述微电极之间的间距为100～200微米，例如100微米、120微米、150微米、180微米或200微米等。
优选地，所述柔性基底包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底。
优选地，所述引线包括金属导线或金属氧化物导线，优选金导线、铂导线、氧化钛导线和铟锡氧化物导线中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述焊盘包括金属焊盘或金属氧化物焊盘，优选金焊盘、铂焊盘、氧化钛焊盘和铟锡氧化物焊盘中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述绝缘层包括有机绝缘层，优选SU8层、聚酰亚胺层和聚对二甲苯层中的任意一种或至少两种的组合，生物相容性好。
优选地，所述微沟道为L型通道。
优选地，所述L型通道的横向长度为2～3厘米，例如2厘米、2.2厘米、2.5厘米、2.8厘米或3厘米等；纵向深度为0.1～0.2厘米，例如0.1厘米、0.12厘米、0.15厘米、0.18厘米或0.2厘米等。
优选地，所述微沟道的数量为4个，且在所述柔性基底内互不连通。
优选地，所述微沟道的内径为500～5000微米，例如500微米、800微米、1000微米、1200微米、1500微米、2000微米、2500微米、3000微米、3500微米、4000微米、4500微米或5000微米等。
优选地，所述微沟道沿所述柔性基底的几何中心点对称排列。
优选地，所述微电极表面覆盖有导电纳米涂层。
优选地，所述导电纳米涂层包括铂黑。
第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片的制备方法，包括但不限于如下步骤：
(1)在柔性基底形成微孔道，使得所述微沟道的第一端口位于所述柔性基底的上表面，与外界连通，第二端口位于所述柔性基底的侧面，与外界连通。
(2)在步骤(1)所得柔性基底的上表面进行光刻显影，沉积导电材料，得到微电极阵列引线和焊盘；
(3)在引线表面覆盖一层绝缘层；
(4)将所述柔性基底表面的微沟道末端打通，使之与外界连通，使微沟道一端可以与待测组织切片接触；微沟道另一端与外界导通，可直接连接导管。
优选地，步骤(1)所述在柔性基底形成微孔道的方法包括：
(1.1)在石英衬底的表面涂一层光刻胶，光刻显影后得到微沟道模型；
(1.2)用所述柔性基底的材料淹没并填平微沟道模型，固化后，分离，得到微沟道暴露于表面的柔性基底；
(1.3)将步骤(1.2)所得柔性基底上微沟道暴露的一面与另一柔性基底片粘合。
优选地，步骤(2)具体包括：在步骤(1)所得柔性基底的上表面涂一层光刻胶，利用掩膜版进行光刻显影，将微电极阵列、引线和焊盘的图案转移到所述光刻胶上，在所述图案对应的位置表面分别沉积微电极阵列、引线和焊盘对应的材料，除去光刻胶，得到微电极阵列引线和焊盘。
优选地，所述沉积材料的厚度为200～300纳米，例如200纳米、220纳米、250纳米、280纳米或300纳米等。
优选地，所述沉积微电极阵列、引线和焊盘对应的材料之前还包括：在所述图案表面溅射一层钛种子层。
优选地，所述钛种子层的厚度为30～50纳米，例如30纳米、32纳米、35纳米、38纳米、40纳米、42纳米、45纳米、48纳米或50纳米等。
优选地，步骤(4)所述打通的方法为激光冷加工法。
优选地，所述步骤(4)之后还包括：在微电极表面电沉积一层导电纳米涂层。
优选地，所述导电纳米涂层包括铂黑。
第三方面，本发明提供一种如第一方面所述的柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片的用途，所述柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片用于采集脑切片不同药物刺激下的多位点神经电生理信号，或研究脑区神经网络结构机制和神经元编码传递机制。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：
1.本发明提供了一种新型的柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片，集成了离体多通道记录电生理信号、多位点给药刺激功能；
2.检测过程中不需要穿刺细胞，不会缩短细胞的寿命，适用于长期检测；
3.生物相容性好、性能稳定、重复性好、使用方便。
附图说明
图1为本发明实施例1中步骤(1.1)所得中间产品的局部剖面图；
图2为本发明实施例1中步骤(1.2)工艺示意图；
图3为本发明实施例1中步骤(1.2)所得中间产品的局部剖面图；
图4为本发明实施例1中步骤(1.3)工艺示意图；
图5为本发明实施例1中步骤(1.3)所得中间产品的局部剖面图；
图6为本发明实施例1中步骤(2)所得中间产品的局部剖面图；
图7为本发明实施例1中步骤(3)工艺示意图；
图8为本发明实施例1中步骤(3)所得中间产品的局部剖面图；
图9为本发明实施例1中步骤(4)所得中间产品的局部剖面图；
图10为本发明实施例1中柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片的局部剖面图；
图11为本发明实施例1中柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片的立体结构示意图。
图中标记示意为：1：第一石英片、2：SU-8胶、3：第一PDMS层、4：第二石英片、5：铝膜、6：第二PDMS层、7：柔性基底、8：微电极、9：SU-8绝缘层、10：引线、11：焊盘
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。但下述的实施例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
实施例1
一种柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片，包括：柔性基底7、微电极8、引线10、多个焊盘11和SU-8绝缘层9；其中，多个微电极以阵列形式植于柔性基底7上并突出于柔性基底7的上表面；微电极的直径为20微米，相临微电极之间的间距为200微米，微电极均通过引线10连接到处于柔性基底7边缘的多个焊盘11；引线10的表面覆盖有SU-8绝缘层9；柔性基底8内设有4个L型微沟道，L型通道的横向长度为2厘米；纵向深度为0.15厘米，微沟道的内径为2000微米微沟道的第一端口位于柔性基底7的上表面，与外界连通，第二端口位于柔性基底7的侧面，与外界连通，如图10和图11所示。
其制备方法包括如下步骤：
(1)制备柔性基底：
(1.1)将第一石英片1依次用玻璃洗液、去离子水、丙酮、乙醇、去离子水清洗吹干；在干净的石英片表面旋涂一层负性光刻胶(SU-8胶)2，对胶层进行光刻显影后得到微沟道的形状，如图1所示；
(1.2)在定型的SU-8胶2上旋涂一层PDMS，厚度100μm，使其完全淹没SU-8图形，如图2所示；待PDMS完全固化后，将其从石英片上轻轻揭下，得到微沟道暴露于表面的第一PDMS层3，如图3所示；
(1.3)重新取一片干净的第二石英片2，在其上沉积一层铝膜5；接着在铝膜5上旋涂一层PDMS，得到第二PDMS层，厚度50μm，如图4所示；将第一PDMS层置于此石英片上，与第二PDMS层粘合后烘干，得到柔性基底7，如图5所示；
(2)在柔性基底7表面旋涂一层正性光刻胶AZ1500胶，厚度1μm，利用掩膜版对胶层进行光刻显影；将微电极阵列、电极引线及焊盘的图形转移到光刻胶上；在光刻胶图案表面溅射一层厚度30纳米的钛(Ti)种子层，以增加铂(Pt)导电薄膜层与基底的粘附性，然后溅射200纳米的Pt薄膜层。将溅射完成的石英片浸于丙酮中，光刻胶层被溶解，使得多余的Ti/Pt薄膜层被去掉，仅留下所需微电极8的阵列、引线以及焊盘，如图6所示；
(3)制备好Pt薄膜层后，在PDMS表面旋涂厚度为1μm的SU-8绝缘层9，如图7所示；接下来，在该绝缘层上进行光刻显影，去掉微电极、焊盘表面覆盖的SU-8，保留所有引线表面覆盖的SU-8绝缘层9，如图8所示；
(4)通过激光冷加工技术在PDMS表面微沟道末端的位置打孔，如图9所示；
(5)将整个石英片-PDMS结构放在FeCl3和HCl的混合溶液中浸泡，腐蚀掉铝层，这样PDMS结构就会从石英片上脱离下来；
(6)采用氯铂酸、醋酸铅镀液，施加负电压后，在电极表面沉积疏松铂颗粒薄层得到柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片，如图10所示。
将芯片在去离子水中清洗干净后用于采集脑切片不同药物刺激下的多位点神经电生理信号。
实施例2
一种柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片，包括：PDMS柔性基底、微电极、铂引线、多个铂焊盘和聚对二甲苯绝缘层；其中，多个微电极以4×4阵列形式植于柔性基底上并突出于柔性基底的上表面；微电极的直径为10微米，相临微电极之间的间距为100微米，微电极均通过引线连接到处于柔性基底边缘的多个焊盘；引线的表面覆盖有聚对二甲苯绝缘层；柔性基底内设有8个L型微沟道，L型通道的横向长度为3厘米；纵向深度为0.2厘米；每个微沟道的第一端口位于柔性基底的上表面，与外界连通，第二端口位于柔性基底的侧面，与外界连通。将芯片在去离子水中清洗干净后用于研究脑区神经网络结构机制和神经元编码传递机制。
实施例3
一种柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片，包括：PDMS柔性基底、微电极、氧化钛引线、多个氧化钛焊盘和聚酰亚胺绝缘层；其中，多个微电极以阵列形式植于柔性基底上并突出于柔性基底的上表面；微电极的直径为30微米，相临微电极之间的间距为200微米，微电极均通过引线连接到处于柔性基底边缘的多个焊盘；引线的表面覆盖有聚酰亚胺绝缘层；柔性基底内设有沿所述柔性基底的几何中心点对称排列的2个L型微沟道，L型通道的横向长度为2厘米；纵向深度为0.1厘米；每个微沟道的第一端口位于柔性基底的上表面，与外界连通，第二端口位于柔性基底的侧面，与外界连通。将芯片在去离子水中清洗干净后用于采集脑切片不同药物刺激下的多位点神经电生理信号。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (29)
1.一种柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片的制备方法，其特征在于，所述芯片包括：柔性基底、微电极、引线、多个焊盘和绝缘层；
其中，多个所述微电极以阵列形式植于所述柔性基底上并突出于所述柔性基底的上表面；所述微电极均通过引线连接到处于所述柔性基底边缘的多个焊盘；所述引线的表面覆盖有绝缘层；
所述柔性基底内设有微沟道，所述微沟道的第一端口位于所述柔性基底的上表面，与外界连通，第二端口位于所述柔性基底的侧面，与外界连通；
所述制备方法包括如下步骤：
（1）在柔性基底形成微沟道，使得所述微沟道的第一端口位于所述柔性基底的上表面，与外界连通，第二端口位于所述柔性基底的侧面，与外界连通；
（2）在步骤（1）所得柔性基底的上表面进行光刻显影，沉积导电材料，得到微电极阵列、引线和焊盘；
（3）在引线表面覆盖一层绝缘层；
（4）将所述柔性基底表面的微沟道末端打通，使之与外界连通；
其中，步骤（1）所述在柔性基底形成微沟道的方法包括：
（1.1）在石英衬底的表面涂一层光刻胶，光刻显影后得到微沟道模型；
（1.2）用所述柔性基底的材料淹没并填平微沟道模型，固化后，分离，得到微沟道暴露于表面的柔性基底；
（1.3）将步骤（1.2）所得柔性基底上微沟道暴露的一面与另一柔性基底片粘合。
2.如权利要求1所述的柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片的制备方法，其特征在于，所述微电极按照8×8的阵列排布。
3.如权利要求1所述的柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片的制备方法，其特征在于，所述微电极均为铂电极和/或金电极。
4.如权利要求1所述的柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片的制备方法，其特征在于，所述微电极为圆柱形。
5.如权利要求1所述的柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片的制备方法，其特征在于，所述微电极的直径为10~30微米。
6.如权利要求1所述的柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片的制备方法，其特征在于，相邻所述微电极之间的间距为100~200微米。
7.如权利要求1所述的柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片的制备方法，其特征在于，所述柔性基底包括聚二甲基硅氧烷基底。
8.如权利要求1所述的柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片的制备方法，其特征在于，所述引线包括金属导线或金属氧化物导线。
9.如权利要求8所述的柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片的制备方法，其特征在于，所述引线为金导线、铂导线、氧化钛导线和铟锡氧化物导线中的任意一种或至少两种的组合。
10.如权利要求1所述的柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片的制备方法，其特征在于，所述焊盘包括金属焊盘或金属氧化物焊盘。
11.如权利要求1所述的柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片的制备方法，其特征在于，所述焊盘为金焊盘、铂焊盘、氧化钛焊盘和铟锡氧化物焊盘中的任意一种或至少两种的组合。
12.如权利要求1所述的柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片的制备方法，其特征在于，所述绝缘层包括有机绝缘层。
13.如权利要求1所述的柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片的制备方法，其特征在于，所述绝缘层为SU8层、聚酰亚胺层和聚对二甲苯层中的任意一种或至少两种的组合。
14.如权利要求1所述的柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片的制备方法，其特征在于，所述微沟道为L型通道。
15.如权利要求14所述的柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片的制备方法，其特征在于，所述L型通道的横向长度为2~3厘米；纵向深度为0.1~0.2厘米。
16.如权利要求1所述的柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片的制备方法，其特征在于，所述微沟道的数量为4个，且在所述柔性基底内互不连通。
17.如权利要求1所述的柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片的制备方法，其特征在于，所述微沟道的内径为500~5000微米。
18.如权利要求1所述的柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片的制备方法，其特征在于，所述微沟道沿所述柔性基底的几何中心点对称排列。
19.如权利要求1所述的柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片的制备方法，其特征在于，所述微电极表面覆盖有导电纳米涂层。
20.如权利要求19所述的柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片的制备方法，其特征在于，所述导电纳米涂层包括铂黑。
21.如权利要求1所述的柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片的制备方法，其特征在于，步骤（2）具体包括：在步骤（1）所得柔性基底的上表面涂一层光刻胶，利用掩膜版进行光刻显影，将微电极阵列、引线和焊盘的图案转移到所述光刻胶上，在所述图案对应的位置表面分别沉积微电极阵列、引线和焊盘对应的材料，除去光刻胶，得到微电极阵列、引线和焊盘。
22.如权利要求1所述的柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片的制备方法，其特征在于，所述沉积导电材料的厚度为200~300纳米。
23.如权利要求21所述的柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片的制备方法，其特征在于，所述沉积微电极阵列、引线和焊盘对应的材料之前还包括：在所述图案表面溅射一层钛种子层。
24.如权利要求23所述的柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片的制备方法，其特征在于，所述钛种子层的厚度为30~50纳米。
25.如权利要求1所述的柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片的制备方法，其特征在于，步骤（4）所述打通的方法为激光冷加工法。
26.如权利要求1所述的柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片的制备方法，其特征在于，步骤（4）之后还包括：在微电极表面电沉积一层导电纳米涂层。
27.如权利要求26所述的柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片的制备方法，其特征在于，所述导电纳米涂层包括铂黑。
28.一种柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片，其特征在于，采用如权利要求1~27任一项所述的制备方法得到。
29.一种如权利要求28所述的柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片的用途，其特征在于，所述柔性离体微沟道微电极阵列集成芯片用于采集脑切片不同药物刺激下的多位点神经电生理信号，或研究脑区神经网络结构机制和神经元编码传递机制。
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