CN108294741A - 一种微型柔性生物电极阵列及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种微型柔性生物电极阵列，其中，所述微型柔性生物电极依次包括细菌纤维素膜、金属导电层和绝缘层。所述微型柔性生物电极具有良好的柔性、生物相容性、低阻抗、高通量等优点。本发明还提供了所述微型柔性生物电极的制备方法。

Description

一种微型柔性生物电极阵列及其制备方法
技术领域
本发明属于生物电化学分析领域。具体而言，本发明提供了一种微型柔性生物电极阵列及其制备方法。
背景技术
随着全球化石能源的日益短缺，人们对可再生资源的关注程度越来越高，通过微生物合成的细菌纤维素作为天然高聚物，具有优异的力学性能、低密度、完美的网络结构和优良生物相容性，作为新型材料应用于各个领域已成为当今的研究热点。
柔性生物电极因其具有柔性特征，既能贴附于不规则物体或刚性物体表面、也能贴附于人体皮肤，作为可穿戴的人体健康监测设备检测及植入性生物电极等领域有着潜在的应用。
传统的生物电极技术，在采集生物电信号的时候需要提供很低的接触阻抗，在这种要求下需要用导电物质来实现。外加的导电物质容易变硬固化，对于长期监测人体的系统来说是个瓶颈。
国内外学者在柔性生物电极方面做了一些探索。目前，已报道的有中国专利（专利公开号：CN105428091A）公开了一种细菌纤维素石墨烯纸负载氢氧化镍柔性电极材料的制备方法，该方法解决了现有制备导电膜材料比电容量低和力学性能差的问题，但制备过程中仍存在石墨烯作为导电物质的分散和比例的问题，且制备工序较复杂；中国专利（专利公开号：CN104078248A）公开了一种柔性电极的制备方法，聚苯胺和石墨烯或氧化石墨烯的协同效应，能够有效的提高柔性电极的电容特性，提高柔性电极的电容量，但是聚苯胺不具有较好的生物相容性，长期植入体内会因为异物植入带来的机体排异反应和炎症反应，并影响生物体的进行正常生理活动；中国专利（专利公开号：CN103889376A）公开了生物相容性电极部件及其制造方法，通过提供可用于生物应用的电极的替代或改良方法，克服或减轻了现有制备过程中毒性残留物的问题，但是以玻璃或硅酮作为基底难以实现弯折及曲面位置的贴服，在植入体内过程中，会持续对周边组织器官造成伤害。市场上出现的植入电极，如美敦力公司所生产的系列产品，共有4个刺激电极，其直径为1.26毫米，每个电极长为1.5毫米左右，由于其尺寸较大，在植入人体时易对组织造成较大损害；功耗较大，刺激器电池的使用寿命相对较短，频繁的更换电池增加了患者的痛苦；成本昂贵，仅单侧植入费用就高达10万人民币左右。
此外，由于柔性基底的局限性，目前报道在柔性基底上加工微电极阵列很少能达到30微米精度。
发明内容
因此，基于上述已有技术的缺陷，为了解决现有生物电极生物性能及力学性能差，尺寸较大，使用寿命短等问题，本发明的目的是提供一种微型柔性生物电极阵列及其制备方法。
针对上述发明目的，本发明是通过下述技术方案实现的：
本发明提供一种微型柔性生物电极阵列，其中，所述微型柔性生物电极依次包括细菌纤维素膜、金属导电层和绝缘层。
优选地，根据前述的微型柔性生物电极阵列，其中，所述细菌纤维素膜的厚度为10微米~100微米。
更优选地，根据前述的微型柔性生物电极阵列，其中，所述金属导电层中的金属选为Pt、Ti、Au和Cr中的一种或多种。
再优选地，根据前述的微型柔性生物电极阵列，其中，所述金属导电层中的Pt厚度为50~200nm，Ti厚度为20~30nm，Au厚度为50~200nm，和/或Cr厚度为10nm。其中，所述金属导电层可以为Pt/Ti或者Au/Cr金属导电层。还优选地，根据前述的微型柔性生物电极阵列，其中，所述绝缘层为SU8光刻胶或氮化硅（SiNx）。
进一步优选地，根据前述的微型柔性生物电极阵列，其中，所述SU8光刻胶的厚度为100~500nm，和/或所述氮化硅的厚度为800nm。
本发明提供上述的微型柔性生物电极阵列的制备方法，其中，所述制备方法包括：（1）热压干细菌纤维素形成细菌纤维素薄膜，（2）在步骤（1）形成的细菌纤维素薄膜上加工微电极阵列形成表面具有金属导电层的细菌纤维素薄膜，（3）在步骤（2）形成的金属导电层表面制备绝缘层。其中，步骤（1）可以包括：将湿润的细菌纤维素膜夹在两个表面平整的不锈钢板表面，2-5KPa的压力、100℃的高温条件下热压干24小时后得到超薄细菌纤维素膜。可以根据实际需要选择不同厚度的湿态膜和不同压力来控制形成厚度介于10微米~100微米之间厚度的薄膜。
优选地，根据前述的制备方法，其中，步骤（2）加工微电极阵列的方法包括：使用荫罩（shadow mask）方法，将电极金属掩膜覆盖在所述细菌纤维素薄膜上，采用磁控喷溅或蒸镀方式在所述细菌纤维素薄膜的表面镀上所述金属导电层。
更优选地，根据前述的制备方法，其中，步骤（3）制备绝缘层的方法包括：利用光蚀刻的原理在所述导电金属层表面覆盖一层SU-8光刻胶。其中，所述制备绝缘层的方法具体可以包括：利用光蚀刻的原理在导电金属表面覆盖一层SU-8光刻胶。用SU-8 2000.5光刻胶，光刻蚀匀胶机转速200rpm，95℃ 前烘下1分钟，UV曝光30S，后烘95℃下1分钟。在所述导电金属层表面形成100-500nm的SU-8绝缘层。
再优选地，根据前述的制备方法，其中，步骤（3）制备绝缘层的方法包括：利用低温等离子体增强化学气相沉积法（IPECVD）或等离子体增强化学气相沉积法（PECVD），在所述导电金属层表面沉积上一层氮化硅组成绝缘层。
其中，上述的微型柔性生物电极阵列的制备方法还可以包括细菌纤维素的发酵培养及纯化、其具体可以包括：细菌纤维素是由木醋杆菌在30℃的HS培养基里发酵培养获得厚度均匀的薄膜，细菌纤维素膜的厚度是可调节的，通过控制发酵时间可以获得不同厚度的细菌纤维素膜，可以根据后期制备电极所需不同厚度的基底来选择不同的纤维素膜来压缩干燥（发酵不同时间的细菌纤维素膜）（图1）。然后用去离子水浸泡两头出去残余的培养基，然后再2%的NaOH煮沸1小时，进一步出去残余菌体及培养基以纯化细菌纤维素。120℃高温高压灭菌备用。
细菌纤维素的弹性模量为一般植物纤维的数倍至十倍以上，并且抗张强度高，采用微细加工工艺，本发明成功制备出了一种基于细菌纤维素为基底的用于生物体的柔性微电极阵列，提高柔性生物微电极的生物相容性和长期稳定性，为柔性生物电子器件领域的研究提供参考依据，也为脑电极阵列研究及广泛的应用提供方向。
与现有生物电极相比，本发明有如下特点及优点：
（1）细菌纤维素具有可再生环保，力学性质强（如抗拉伸性质、柔性度等）、高亲水性、低阻抗、细胞毒性低等优良特性，
（2）利用电极功能材料的修饰增强了电极的生物相容性、细胞的亲和力和稳定性，
（3）在电极阵列集成化的基础上，利用微纳材料的小尺寸效应和界面效应，提高了检测的灵敏度和信噪比，
（4）可以制备出30微米超细微电极阵列并可以精确测量单根神经的电生理信号。
附图说明
以下，结合附图来说明本发明的实施方案，其中：
图1示出了利用不同厚度膜热压干技术制备的10微米、50微米和100微米三种厚度的细菌纤维素薄膜；
图2A和图2B分别示出了实施例1制备的厚100nm的微型柔性生物电极阵列的表面扫描显微镜图（SEM图）和截面SEM图；
图2C和图2D分别示出了实施例2制备的厚200nm微型柔性生物电极阵列的表面扫描显微镜图（SEM图）和截面SEM图；
图3A示出了基于实施例3制备的可植入微型柔性生物电极阵列的电极阵列图;
图3B示出了基于实施例3制备的用于体外检测的微型柔性生物电极阵列的电极阵列图;
图4A 示出了30微米宽度的电极阵列的显微镜观察图；
图4B示出了60微米宽度的电极阵列的显微镜观察图；
图5示出了不同的SU-8光刻胶匀胶速度与厚度理论关系图；
图6A 示出了固定及解剖大鼠脑部；
图6B示出了将柔性电极贴合在大鼠的大脑皮层；
图6C示出了基于实施例1制备的纤维素电极测得的大鼠脑皮层电生理信号。
具体实施方式
下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
以下实施例中，除具体指明的试验材料、条件以及操作方法外，实施例中所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的。因此，本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。
实施例1
本实施例用于说明制备本发明提供的微型柔性生物电极阵列。
热压干形成10微米厚的纤维素薄膜（图1A），制备单根电极30微米电极阵列的shadow mask，覆盖shadow mask之后，在真空蒸镀仪中抽真空4小时后，先以0.1À/s先在细菌纤维素表面镀上一层10 nm的Cr，之后再以0.1À/s在其表面蒸镀100nm的Au，蒸镀约18分钟。在金属蒸镀的过程中可以通过调节蒸镀时间来控制在基底上蒸镀电极的厚度。金属层电极制备完成之后，用低温PECVD和shadow mask的方法在金属表面用在金属导电电极表面沉积上一层SiNx绝缘层，由于PECVD蒸镀过程散热不均产热容易破坏细菌纤维是的结构，以0.1À/s速度进行沉积，每镀50nm，间歇5min，通过控制时间来控制绝缘层的厚度，从而制备出基于细菌纤维素的柔性Au电极阵列。
图2A示出了基于10微米厚细菌纤维素薄膜表面沉积一层100nmAu电极阵列的表面冷场发射扫描电子显微镜（SEM图），图2B示出了所述电极阵列表面的截面扫描显微镜图，可以观察到100 nm左右的金层。
实施例2
本实施例用于说明制备本发明提供的微型柔性生物电极阵列。
热压干形成10微米厚的纤维素薄膜，制备单根电极30微米电极阵列的shadowmask，覆盖shadow mask之后，在真空蒸镀仪中抽真空4小时后，先以0.1À/s在细菌纤维素表面镀上一层10 nm的Cr，之后再以0.1À/s蒸镀约35分钟在其表面镀上200nm的Au。在金属蒸镀的过程中可以通过调节蒸镀时间来控制在基底上蒸镀电极的厚度。金属层电极制备完成之后，用低温PECVD和shadow mask的方法在金属导电电极表面沉积上一层SiNx绝缘层，由于PECVD蒸镀过程散热不均产热容易对细菌纤维素产生破坏，以0.1À/s速度进行沉积，每镀50nm，间歇5min，通过控制时间来控制绝缘层的厚度，从而制备出基于细菌纤维素的柔性Au电极阵列。
图2C示出了基于10微米厚细菌纤维素薄膜表面沉积一层200nmAu电极阵列的表面SEM图，表面纳米纤维因为镀上更厚的一层金，表面的纳米纤维直径相对100nm Au层的直径变粗。图2D示出了所述电极阵列表面的截面扫描显微镜图，可以观察到200 nm左右的金层。
实施例3
本实施例用于说明制备本发明提供的微型柔性生物电极阵列。
使用实施例2方法，基于10微米薄膜制备的200nm厚的Au，通过更换不同的金属掩膜制备可植入体内的微型柔性生物电极阵列的电极阵列图，包含两端的参比电极，以及中间37个工作电极阵列。图3A示出了本实施例制备的可植入微型柔性生物电极阵列的电极阵列图。
实施例4
本实施例用于说明制备本发明提供的微型柔性生物电极阵列。
使用实施例2方法，基于100微米厚的细菌纤维素膜制备的200nm厚的Au，通过不同的金属掩膜制备在体外检测细胞或者组织的电生理信号的电极。如图3B中央1cm的圆环中处含有64个微电极阵列。
实施例5
本实施例用于说明制备本发明提供的微型柔性生物电极阵列。
热压干形成10 微米厚的纤维素薄膜，制备单根电极30 微米电极阵列的shadowmask，覆盖shadow mask之后，在真空蒸镀仪中抽真空4小时后，先以0.1À/s先在细菌纤维素表面镀上一层10nm的Cr，之后再以0.1À/s在其表面镀上200 nm的Au。金属层电极制备完成之后，利用光蚀刻的原理在导电金属表面覆盖一层SU-8光刻胶。根据电极需要来设计适当的绝缘层的厚度，绝缘层的厚度可以通过调节光刻过程中的参数以及选取不同的SU-8光刻胶，图5示出了SU-8 2002和SU-8 2000.5匀胶速度与厚度理论关系图，通过调节光刻过程中的匀胶的速度来控制光刻胶的厚度。本实施例选用SU-8 2000.5光刻胶，光刻蚀匀胶机转速3000rpm，95℃前烘下1分钟，UV曝光30S，后烘95℃ 下1分钟，在导电金属表面形成500nm的SU-8绝缘层，然后用显影液除掉没有被UV交联的光刻胶，从而制备出基于细菌纤维素的柔性Au电极阵列。
实施例6
本实施例用于说明制备本发明提供的微型柔性生物电极阵列。
热压干形成50微米厚的纤维素薄膜（图1B），制备单根电极30微米电极阵列的金属shadow mask，利用磁控溅射的方法先以0.1À/s先在细菌纤维素表面溅射一层20 nm的Ti层，之后再以0.1À/s在其表面溅射一层200nm的Pt层。金属层电极制备完成之后，用PECVD和shadow mask的方法在金属导电电极表面沉积上一层800 nm SiNx绝缘层。即制备出基于细菌纤维素的柔性Pt电极阵列。
实施例7
本实施例用于说明制备本发明提供的微型柔性生物电极阵列。
首先将湿润细菌纤维素膜冷冻干燥成干膜，热压干形成100微米厚的纤维素薄膜（图1C），制备单根电极30微米电极阵列的金属shadow mask，利用磁控溅射的方法先以0.1À/s先在细菌纤维素表面溅射一层20nm的Ti层,之后再以0.1À/s在其表面溅射一层200nm的Pt层。金属层电极制备完成之后，用PECVD和shadow mask的方法在金属导电电极表面沉积上一层800 nm SiNx绝缘层。即制备出基于细菌纤维素的柔性Pt电极阵列。
实施例8
按照实施例2的制备方法，图4A是30微米宽度的金电极阵列，图4B示60微米宽度的金电极阵列。
试验例1
基于实施例1制备的纤维素电极测量大鼠脑皮层电生理信号。
具体实验方法包括：
以大鼠作为实验对象，在其大脑皮层进行电极植入，25%乌拉坦按5 ml/kg量对大鼠进行麻醉，利用Blackrock Microsystems采集记录大鼠脑皮层电生理信号。首先用颅骨钻缓慢揭开脑盖骨制造一个1cm× 1cm的开口，去掉大脑表层的薄膜,使大脑表层彻底露出(图6A)，然后放上柔性电极使电极完好贴合在大脑表层开始记录脑电信号(图6B)。
由于所述电极直径30微米接近于单个神经细胞的大小，因此可以精确测量单根神经的电生理信号(图6C)。
尽管在此，已对本发明进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，所属领域技术人员可进行各个条件的适当变化。可以理解的是，本发明不限于所述实施方案概括和具体实例，其权利归于权利要求的范围，并包括所述每个因素的等同替换。

Claims (10)

1.一种微型柔性生物电极阵列，其特征在于，所述微型柔性生物电极依次包括细菌纤维素膜、金属导电层和绝缘层。
2.根据权利要求1所述的微型柔性生物电极阵列，其特征在于，所述细菌纤维素膜的厚度为10μm~100μm。
3.根据权利要求1或2所述的微型柔性生物电极阵列，其特征在于，所述金属导电层中的金属选为Pt、Ti、Au和Cr中的一种或多种。
4.根据权利要求3所述的微型柔性生物电极阵列，其特征在于，所述金属导电层中的Pt厚度为50~200nm，Ti厚度为20~30nm，Au厚度为50~200nm，和/或Cr厚度为10nm。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的微型柔性生物电极阵列，其特征在于，所述绝缘层为SU-8光刻胶或氮化硅。
6.根据权利要求5所述的微型柔性生物电极阵列，其特征在于，所述SU-8光刻胶的厚度为100~500nm，和/或所述氮化硅的厚度为800nm。
7.权利要求1-6中任一项所述的微型柔性生物电极阵列的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
（1）热压干细菌纤维素形成细菌纤维素薄膜，
（2）在步骤（1）形成的细菌纤维素薄膜上加工微电极阵列形成表面具有金属导电层的细菌纤维素薄膜，
（3）在步骤（2）形成的金属导电层表面制备绝缘层。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）加工微电极阵列的方法包括：使用荫罩方法，将电极金属掩膜覆盖在所述细菌纤维素薄膜上，采用磁控喷溅或蒸镀方式在所述细菌纤维素薄膜的表面镀上所述金属导电层。
9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）制备绝缘层的方法包括：利用光蚀刻的原理在所述导电金属层表面覆盖一层SU-8光刻胶。
10.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）制备绝缘层的方法包括：利用低温等离子体增强化学气相沉积法或等离子体增强化学气相沉积法，在所述导电金属层表面沉积上一层氮化硅组成绝缘层。
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