CN108744268A - 柔性透明碳纳米管神经电极阵列在神经光电界面中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性透明碳纳米管神经电极阵列在神经电光界面中的应用。本发明利用碳纳米管电极阵列在较宽的波长区间内拥有高透光率，并且在拉伸状态下仍可保持优良电化学性质和光学性质的特性，实现了皮层癫痫电生理信号和双光子钙成像的原位同时记录，以及光刺激下脑电的实时记录，可以高时间/空间分辨率观察神经活动。利用碳纳米管电极阵列优越的柔性和可延展性，可将其用于实时监测脑损伤下的脑电活动；同时，该碳纳米管电极阵列可以与组织完美贴合，形成更高效的大脑/电极界面，有利于信噪比的提高。以上结果均体现了碳纳米管电极阵列在神经系统尤其是机械活性系统电光界面中具有巨大的应用潜力。

Description

柔性透明碳纳米管神经电极阵列在神经光电界面中的应用

技术领域

本发明属于材料领域，涉及一种柔性透明碳纳米管神经电极阵列在神经电光界面中的应用。

背景技术

在现代生物医学的研究和应用过程中，将神经组织与体外环境相连接的神经界面具有重要地位。在基础研究中，由于神经活动中的信息量巨大，需要同时以高时间/ 空间分辨率高采集信息，而单一的电记录技术或光学成像技术均无法满足要求，因此开发新型光电神经界面对神经科学研究具有重要意义。此外光遗传技术的出现为精准控制神经元提供了更多可能，已经渗透到了神经科学的每一个角落，研究者们不仅用它来研究大脑的基础功能，还在动物模型中探索疾病的发病机制，该项技术也对传统的神经界面提出了新的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种柔性透明碳纳米管(Carbon nanotube,CNT)神经电极阵列在神经电光界面中的应用。

本发明要求保护碳纳米管薄膜在制备神经系统电光界面器件中的应用及由碳纳米管薄膜或由碳纳米管薄膜制成的电极或电极阵列组成的神经系统电光界面器件。

上述应用或器件中，所述神经系统具体可选自脊髓、外周神经系统和脑中的至少一种。

所述神经系统电光界面为可同时应用于神经光学成像/刺激系统和电学记录/刺激系统的界面。

所述神经系统电光界面器件能够记录神经系统的神经活动和/或对神经系统进行成像和/或对神经系统进行光刺激；

所述成像具体为光成像，包括钙成像等。

所述碳纳米管薄膜具体可为单壁或多壁碳纳米管薄膜；

所述碳纳米管薄膜具有柔性和高透光率。

该碳纳米管薄膜可按照如下常压CVD(Chemical vapor deposition，CVD)生长方法制得：在惰性气氛中，以镍片为基底，且镍片面朝下放置，以溶解了二茂铁和硫的二甲苯溶液作为碳源和催化剂，进行化学气相沉积，沉积完毕即在镍片表面得到所述碳纳米管薄膜；

具体的，所述惰性气氛可为氢气气氛；

所述惰性气氛的流量可为1500sccm；

所述二茂铁和硫的二甲苯溶液中，二茂铁的浓度可为0.045g/ml，硫的浓度可为0.001g/ml；

所述碳源和催化剂的速率可为5ml/min；

沉积温度可为1160℃；时间可为5-60min，视生长情况而定；

所述方法还包括如下纯化步骤：将生长在镍片表面上的碳纳米管薄膜用镊子揭起后，依次用双氧水和浓硝酸各浸泡三天，再用酒精洗涤。

经过如上处理后，所得碳纳米管薄膜中的单根的碳纳米管被压缩成束，留出很多空穴区，从而形成了蜘蛛网样的结构。所得碳纳米管薄膜可以泡在酒精中保存，使用时转移到水中，薄膜自然展开，用基底捞起。

更具体的，所述碳纳米管薄膜可按照如下常压CVD生长方法制得：以溶解了二茂铁和硫的二甲苯溶液作为碳源和催化剂，将用丙酮清洁过的镍片放置在石英管气流下游，且镍片面朝下放置用于承接随后生长出的碳纳米管薄膜。随后在纯氩气环境下， CVD炉子升温到1160℃，氩气流量为20sccm。在炉温达到1160℃时，通入氢氩混合气，气体体积比为0.85:0.15，混合气流量为1500sccm，同时关闭纯氩气。气流稳定一段时间后，将溶解了二茂铁和硫的二甲苯溶液以5ml/min的速率注入石英管上游。之后反应开始，反应时间一般控制在5到60min，此时CNT薄膜被气流带到下游并由镍片收集。生长结束后镍片上的CNT薄膜可用镊子揭起进行纯化。纯化过程中先将其放在双氧水中浸泡三天，再将其转入浓硝酸中浸泡三天，最后用酒精反复洗涤，在此过程中薄膜中的单根的碳纳米管被压缩成束，留出了很多空穴区，从而形成了一个蜘蛛网一样的结构。所得的碳纳米管薄膜可以泡在酒精中保存，使用时转移到水中，薄膜自然展开，用基底捞起。

具体的，所述由碳纳米管薄膜制成的电极阵列由基底、图案化的碳纳米管薄膜和封装层组成；

其中，所述图案化的碳纳米管薄膜内嵌于所述基底中或位于基底表面，其裸露的一面被所述图案化的封装层覆盖，仅覆盖图案化碳纳米管薄膜作为引线的部分；

所述图案化的碳纳米管薄膜作为电极阵列的记录位点和引线。构成所述基底的材料具体可为PDMS；构成所述封装层的材料具体可为SU-8。

另外，本发明还要求保护碳纳米管薄膜在制备可拉伸器件、透光器件或可拉伸透光器件中的应用以及由碳纳米管薄膜或由碳纳米管薄膜制成的电极或电极阵列组成的可拉伸器件、透光器件或可拉伸透光器件。

上述应用或器件中，所述可拉伸器件、透光器件或可拉伸透光器件具体可为神经系统电光界面器件。

所述神经系统具体可选自脊髓、外周神经系统和脑中的至少一种。

所述神经系统电光界面器件能够记录神经系统的神经活动和/或对神经系统进行成像和/或对神经系统进行光刺激；

所述成像具体为光成像，包括钙成像等。

具体的，所述由碳纳米管薄膜制成的电极阵列由基底、图案化的碳纳米管薄膜和图案化的封装层组成；

其中，所述图案化的碳纳米管薄膜内嵌于所述基底中或位于基底表面，其裸露的一面被所述图案化的封装层覆盖，仅覆盖图案化碳纳米管薄膜作为引线的部分；

所述图案化的碳纳米管薄膜作为电极阵列的记录位点和引线；

构成所述基底的材料具体可为PDMS；构成所述封装层的材料具体可为SU-8。

上述由碳纳米管薄膜制成的电极阵列的制备方法为常规方法。具体可包括如下步骤：

将25μm厚的铜片在电解液(磷酸：乙二醇＝3:1)中抛光40min，直流电压2V。用超纯水反复清洗后氮气吹干，保证不要有折痕。将铜片用聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)粘在玻璃片上做基底。如图1所示，先在铜片上做电极的封装层。SU-8是一种化学扩大负性光刻胶，在紫外照射下交联，方便图案化。SU-8 胶绝缘性好，透光性好，且具有良好的生物相容性，常用做植入式器件的绝缘层。选用2μm厚的SU-8胶，利用光刻技术，紫外曝光35s，显影2min使其在铜片上图案化。随后将展开的CNT薄膜转移到光刻后的铜片上，且保证薄膜能够完全覆盖SU-8 图案。用氮气吹干，保证CNT薄膜完全黏附在铜片上。接着在CNT薄膜上旋涂光刻正胶，通过调整样品位置使光刻所得图案与SU-8所得图案嵌在一起。随后用热蒸镀镀上40nm厚的铝，用丙酮洗去正胶lift-off后得到图案化的铝掩膜层。随后用等离子刻蚀(Reactive ion etching，RIE)技术将没有铝覆盖的CNT薄膜刻蚀掉，反应气体为 O₂，刻蚀条件为35sccm O₂，5Pa，200W持续5分钟，从而将CNT薄膜图案化。随后在所得样品上旋涂一层100μm厚的PDMS作为最终基底，PDMS具有柔性极好，容易成型，生物安全性佳，化学惰性等特点，在生物领域有广泛应用。此外PDMS表面能低，能够与组织表面紧密的黏合在一起，因此，选取PDMS为电极基底。PDMS 固化后，从玻璃片上揭下来铜片，用1M三氯化铁溶液将铜片和中间的铝掩膜层刻蚀掉，最终得到以PDMS为基底，CNT薄膜为记录位点，引线，SU-8为封装层的电极阵列。如图2a所示，电极阵列有16个记录位点，电极记录位点尺寸为100μm*100 μm，引线宽度为50μm。

本发明利用CNT电极阵列在较宽的波长区间内拥有高透光率，并且在拉伸状态下仍可保持优良电化学性质和光学性质的特性，配合光遗传技术，实现了在给予皮层光刺激的同时记录脑电信号，且光刺激过程中产生的光尾迹可忽略不计；还实现了皮层癫痫电生理信号和双光子钙成像的原位同时记录，以高时间/空间分辨率观察神经活动。此外，利用CNT电极阵列优越的柔性和可延展性，在反复20％的拉伸过程中， CNT电极阵列的电学性质并未发生显著变化，基于其优越的机械性质可将其用于实时监测脑损伤下的脑电活动；同时，该CNT电极阵列可以与组织完美贴合，形成更高效的大脑/电极界面，有利于信噪比的提高。以上结果均体现了CNT电极阵列在神经系统尤其是机械活性系统(包括脊髓，外周神经系统和脑损伤)电光界面中具有巨大的应用潜力。

附图说明

图1为CNT薄膜电极阵列的加工过程示意图。

图2为CNT薄膜电极阵列的示意图等；其中，a为CNT薄膜电极阵列示意图：b 为CNT薄膜扫描电镜图；c为电极基底PDMS和电极记录位点透光度；d为拉伸前后电极记录位点处的透光率变化；e为拉伸状态下CNT薄膜示意图；f为CNT薄膜电极阵列的实物图。

图3为CNT薄膜电极阵列性质表征：a为CNT薄膜电极和石墨烯电极EIS结果比较；b为CNT薄膜电极和石墨烯电极CV结果比较；c为不同拉伸状态下石墨烯电极和CNT薄膜电极在1kHz的阻抗变化，Z₀表示器件未拉伸时1kHz对应的阻抗值，Z 表示不同拉伸状态下1kHz处器件的阻抗值；d为CNT薄膜电极(上图)在未拉伸，拉伸50％，拉伸50％后放松三种状态下的EIS结果，石墨烯电极(下图)在未拉伸，拉伸0.9％，拉伸0.9％后放松三种状态下的EIS结果；e为CNT薄膜电极不同拉伸状态下的CV结果；f为CNT薄膜电极抗疲劳测试结果。

图4为CNT薄膜电极阵列在光遗传组学中的应用：a为实验示意图；b为光刺激及其引起的相应电信号；c为Thy1-ChR2-YFP小鼠，WT小鼠在2.4mW/mm²，15ms 光刺激下CNT薄膜电极记录到的信号；d为c中电信号对应的频谱图；e为电极阵列在15ms光刺激时长下不同刺激功率下得到的信号响应；f为电极阵列在1.2mW/mm²光强下不同刺激时长得到的信号响应；g为传统金电极和CNT薄膜电极在PBS中 2.4mW/mm²，15ms光刺激下产生的光尾迹,图中scale bar为2μV,20ms。

图5为CNT薄膜电极在钙成像中的应用：a为实验示意图；b为电极记录位点下距离硬脑膜300μm，500μm深度的钙成像结果；c为癫痫发作前电极记录到的电信号及相应的记录位点下荧光归一化(△F/F0)成像图；d为癫痫发作时电信号；e为单细胞及记录位点覆盖区域(ROI)癫痫发作时△F/F0统计；f为e图中1-4时刻相对应的电极记录位点下钙成像荧光归一化结果。

图6为CNT薄膜电极在脑损伤模型中的应用：a为实验示意图；b为在脑损伤过程中记录到的电信号；c为脑损伤发生前后不同时段的频谱分析；d为b图电信号对应的频谱图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。

下述实施例所用CNT薄膜电极阵列均按照如下方法制得：

1)制备碳纳米管薄膜

以溶解了二茂铁和硫的二甲苯溶液作为碳源和催化剂，将用丙酮清洁过的镍片放置在石英管气流下游，且镍片面朝下放置用于承接随后生长出的碳纳米管薄膜。随后在纯氩气环境下，CVD炉子升温到1160℃，氩气流量为20sccm。在炉温达到1160℃时，通入氢氩混合气，气体体积比为0.85:0.15，混合气流量为1500sccm，同时关闭纯氩气。气流稳定一段时间后，将溶解了二茂铁和硫的二甲苯溶液以5ml/min的速率注入石英管上游。之后反应开始，反应时间一般控制在5到60min，此时CNT薄膜被气流带到下游并由镍片收集。生长结束后镍片上的CNT薄膜可用镊子揭起进行纯化。纯化过程中先将其放在双氧水中浸泡三天，再将其转入浓硝酸中浸泡三天，最后用酒精反复洗涤，在此过程中薄膜中的单根的碳纳米管被压缩成束，留出了很多空穴区，从而形成了一个蜘蛛网一样的结构。所得的碳纳米管薄膜可以泡在酒精中保存，使用时转移到水中，薄膜自然展开，用基底捞起。

所得的碳纳米管薄膜机械性质很好，相比于其他二维碳材料能够在无基底支撑状态下操作，而且薄膜足够柔软有粘性，可以同任意基底很好的粘合在一起。在透光性方面，随厚度的不同该材料可以实现65％到95％的透光率，阻抗值同以往的碳管薄膜相比也低很多。

2)制备碳纳米管薄膜电极阵列

25μm厚的铜片在电解液(磷酸：乙二醇＝3:1)中抛光40min,直流电压2V。用超纯水反复清洗后氮气吹干，保证不要有折痕。将铜片用聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)粘在玻璃片上做基底。如图1所示，先在铜片上做电极的封装层。SU-8是一种化学扩大负性光刻胶，在紫外照射下交联，方便图案化。SU-8 胶绝缘性好，透光性好，且具有良好的生物相容性，常用做植入式器件的绝缘层。选用2μm厚的SU-8胶，利用光刻技术，紫外曝光35s，显影2min使其在铜片上图案化。随后将展开的CNT薄膜转移到光刻后的铜片上，且保证薄膜能够完全覆盖SU-8 图案。用氮气吹干，保证CNT薄膜完全黏附在铜片上。接着在CNT薄膜上旋涂光刻正胶，通过调整样品位置使光刻所得图案与SU-8所得图案嵌在一起。随后用热蒸镀镀上40nm厚的铝，用丙酮洗去正胶lift-off后得到图案化的铝掩膜层。随后用等离子刻蚀(Reactive ion etching，RIE)技术将没有铝覆盖的CNT薄膜刻蚀掉，反应气体为 O₂，刻蚀条件为35sccm O₂，5Pa，200W持续5分钟，从而将CNT薄膜图案化。随后在所得样品上旋涂一层100μm厚的PDMS作为最终基底，PDMS具有柔性极好，容易成型，生物安全性佳，化学惰性等特点，在生物领域有广泛应用。此外PDMS表面能低，能够与组织表面紧密的黏合在一起，因此，选取PDMS为电极基底。PDMS 固化后，从玻璃片上揭下来铜片，用1M三氯化铁溶液将铜片和中间的铝掩膜层刻蚀掉，最终得到以PDMS为基底，CNT薄膜为记录位点，引线，SU-8为封装层的电极阵列。如图2a所示，电极阵列有16个记录位点，电极记录位点尺寸为100μm*100 μm，引线宽度为50μm。

芯片加工完成后，用斑马纸在热压条件下将CNT薄膜电极阵列连接在PCB板上，在记录信号时连接到Intan RHD 2132放大器上，最后得到的电极如图2f所示。图2 中b图则是将电极记录位点放大后所得的SEM图，从中可以看到交错的碳纳米管。为了说明器件的透光性，图2中c图和d图展示了PDMS以及覆盖有CNT薄膜的PDMS 的透光性，两者在较宽的波长范围内透光度均在80％以上，此外在器件拉伸20％时，器件的透光度未发生明显变化。

作为对照的石墨烯电极阵列按照如下方法制得：

石墨烯同碳纳米管薄膜一样，是一种常见的二维透明导电材料，为了比较以两种材料制备的相同尺寸的电极在机械性质，电学性质以及光学性质上的优缺点。按照如下方法制备石墨烯电极阵列：

25μm厚的铜片在电解液(磷酸：乙二醇＝3:1)中抛光40min,直流电压2V。用超纯水反复清洗后氮气吹干，将铜片放入石英管中，保证不要有折痕。开泵将石英管抽至真空状态约2.7Pa～2.5Pa。通H₂洗气路约20min，打开电炉，保持H₂流量50sccm不变开始升温，约45min后温度达到>1000℃，约1020℃，保持这个温度退火45min，在原有气流量条件下打开CH₄，H₂：CH₄＝50:5，保持45min。长按reset键停止电炉工作，待当前石英管温度低于1000℃时，滑动电炉漏出铜片。旋涂聚甲基丙烯酸甲酯 (Polymethyl methacrylate,PMMA)到铜箔上，随后置于170℃的加热台上加热5min,以除去PMMA中的溶剂。

用1M FeCl₃水溶液刻蚀铜片：匀胶面朝上，铜面朝下，等到铜刻蚀干净后，用被等离子体清洗机清洗后的100μm PDMS片将样品捞出至干净的超纯水中，在其中清洗3min，然后再重复用超纯水清洗两遍。最后用PDMS将其从水中捞出，在超净台中静置过夜，等水分自然蒸发后用丙酮熏蒸样品，将PMMA除掉。因为石墨烯完全透明，需要先蒸镀一层金铬合金(60nm/8nm)做标记和最后连线的PAD，随后以此为准，将图案化的正胶做在石墨烯表面作为掩膜，用等离子清洗机刻蚀掉没有光刻胶保护的石墨烯，使石墨烯图案化，最后再做一层2μm后的SU-8将引线封装，只暴露出石墨烯记录位点。石墨烯电极尺寸同CNT薄膜电极尺寸完全一致。

实施例1、碳纳米管薄膜在制备具有机械活性神经系统器件中的应用

1)碳纳米管薄膜电极性质表征

我们从电学性质，机械性质，两个角度来表征CNT薄膜电极阵列。电学性质方面，为了初步测量微电极阵列在生物体液中的电学性质，我们首先用磷酸缓冲盐溶液(Phosphate buffer saline，PBS)来模拟体液环境，在电解质溶液中用标准化的三点测试法测定微电极阵列在不同频率下的阻抗。所谓三点测试法就是以Ag/AgCl为参比电极，铂丝为对电极，微电极阵列为工作电极，测量其电化学阻抗谱(Electrochemical impedancespectroscopy，EIS)。

得到的结果如图3中a所示红色曲线代表相同尺寸的石墨烯电极测得的阻抗谱，黑色曲线代表CNT薄膜电极阵列测得的EIS，由于脑电信号多以低频信号为主，主要考察低频段电极阻抗值，以频率为1000Hz时的阻抗为代表，可以发现CNT薄膜电极的阻抗值明显低于石墨烯电极，因此CNT薄膜电极阵列更具有优势。同时图3中b 还表征了两种电极的循环伏安法(Cyclic voltammetry,CV)曲线，可以看出相比于石墨烯电极阵列，CNT薄膜电极具有更高的载电容量。

随后比较了两种电极阵列在拉伸状态下电化学性质的变化。两种电极均以PDMS为基底，将电极的一端固定，另一端固定在手动微调平台上，将电极记录位点浸没在 PBS溶液中，在拉伸状态下测定其电化学性质，同样取1kHz处的阻抗值进行两种器件的比较。

所得结果如下：由图3中c可知相比于石墨烯电极阵列，CNT薄膜电极阵列具有更加优越的机械性质，在CNT薄膜电极拉伸达到50％时仍然可以工作，且如图3中d 所示该电极在拉伸50％后，去掉拉力，仍然可以回到原状态，也即拉伸50％对CNT 薄膜电极来讲是一种可恢复形变。

相比之下石墨烯电极在拉伸为0.9％时还能够在拉力消失时恢复原状，但是高于0.9％的形变时，石墨烯电极已经无法恢复原状，而在器件拉伸达3.3％时完全无法工作。该实验说明了相比于单层石墨烯，CNT薄膜电极阵列具有优越的可拉伸性。此外，图 3中e还表征了在CNT薄膜电极拉伸20％以及50％时cv曲线的变化，同样说明CNT 薄膜电极阵列在拉伸状态下电化学性质没有明显变化。最后，图2中f表征了CNT薄膜电极在反复进行20％拉伸过程中阻抗值的变化，在10000次拉伸后电极在1kHz测得的阻抗值是未拉伸时的1.78倍，仍然可以工作，说明CNT薄膜电极具有长期记录的潜质。

2)碳纳米管薄膜电极阵列在光遗传中的应用

基于CNT薄膜电极阵列优越的透光性，考察其在光遗传技术中的应用。以 Thy1-ChR2-YFP小鼠为模式动物，该小鼠表达了对488nm激光敏感的ChR2-YFP蛋白，如图4中a所示，将小鼠固定在立体定位仪上暴露部分皮层，将器件置于暴露的皮层上，通过光纤透过器件给皮层不同光强以及不同频率的光刺激。

所得结果如下：图4中b展示了在光强2.4mW/mm²，刺激频率10Hz，刺激时长 15ms的光刺激条件下CNT薄膜电极阵列记录到的相对应的电信号，图4中d则是该信号对应的频谱图，可以看到该信号在10Hz频域处能量有明显升高，与光刺激的条件相吻合。图4中c从左至右分别是2.4mW/mm²，15ms激光透过CNT薄膜电极阵列给光在Thy1-ChR2-YFP小鼠上和在WT小鼠上记得的信号。图4中e则展示了15ms 刺激时长，不同光强度条件下电极阵列记录到的电信号，图4中f展示了在相同光强度(1.2mW/mm²)下不同刺激时长电极阵列记录到的光响应，说明随着刺激时间的延长或者光刺激强度的增大都会得到幅值更高的光响应。

以上结果均说明CNT薄膜电极阵列透光性质优越，不会对光遗传实验中的光刺激过程造成影响，且电极阵列能够同时记录皮层不同位置的光响应，在大面积信号记录上具有优越性。光遗传实验中，光刺激经常会引起电极响应，成为光伪迹，严重的伪迹可能掩盖实验动物的皮层光响应，造成信号失真。

作为对照，图4中g讨论了相同尺寸的传统金电极和CNT薄膜电极阵列在相同光刺激下的光响应。具体试验步骤是将两种电极的记录位点分别浸泡在PBS溶液中，用2.4mW/mm²，15ms的激光以相同的距离照射记录位点。所得结果如图4中g所示，可以看到相比于传统的金电极，CNT薄膜电极阵列几乎没有产生光伪迹，这在光遗传实验中非常有优势。

3)碳纳米管薄膜电极阵列在钙成像中的应用

为了在神经活动记录过程中同时满足高时间分辨率和空间分辨率的要求，充分利用CNT薄膜电极阵列的透明性，在记录脑皮层电图(Electrocorticography,ECoG)信号的同时进行钙成像记录。钙成像技术可以分辨单细胞的活动，以表达钙敏感蛋白 GCaMP的Thy1-GCaMP3转基因小鼠为实验动物，使用1％的戊巴比妥钠以6-8 mg/100g的剂量麻醉小鼠，将麻醉的小鼠固定在脑立体定位以上，在其视觉皮层上方开一个5cm*5cm窗口，将电极置于暴露的硬脑膜上，并用玻璃片封在窗口上固定电极，随后将麻醉的小鼠置于双光子显微镜下。

所得结果如下：如图5中b所示，CNT薄膜电极阵列具有极佳的透明度，电极记录位点覆盖的区域，即使在距硬脑膜500μm的深度时细胞依然能够清晰成像。

4-氨基吡啶(4-Aminopyridine，4-AP)是一种可以诱发的癫痫的钾离子通道阻断剂，将5mM 4-AP药物滴加在玻璃片和头骨的缝隙中诱发癫痫(如图5中a所示)。

所得结果如下：图5中c-f分别记录了癫痫发作前后记录到的电信号以及相应的细胞钙活动情况。图5中c右侧为刚刚滴加4-AP时记录到的电信号及其相应成钙活动像结果，左侧为加药约10min后记录到的间歇性放电信号以及其相应的钙活动成像结果。从图中可以看到，相比于没有明显放电时，相同视场内放电时刻对应的成像结果中有神经元被激活。图5中d-f反应了癫痫活动时电活动和细胞钙成像的情况。图5 中d反映了加药约15min后癫痫状态下的电活动情况，5中e反应了对应这段电活动电极记录位点下的多个细胞以及整个记录位点覆盖范围内(ROI)△F/F0的变化情况，图5中f中则罗列了放电过程中几个特征节点的成像，可以明显看到随着电活动强弱的变化，图中标出的神经元均有明显变化。

综上所述，钙成像的结果弥补了电信号空间分辨率差的缺陷，而电极记录到的电信号解决了成像时间分辨率低下的问题。以上这些结果都表明了CNT薄膜电极阵列具有优越的透明性，能够在记录ECoG信号的同时完成钙成像，从而兼顾了神经活动的时间和空间分辨率。

4)碳纳米管薄膜电极阵列在脑机械损伤中的应用

头部机械创伤往往容易造成脑损伤，在中枢神经系统中引起类似癫痫的放电情况。目前发展出很多动物模型模拟脑损伤过程，并考察该过程中大脑的电活动。传统 ECoG电极常常以聚酰亚胺为基底，相比于CNT电极阵列柔性差，且不具有可拉伸性，而外伤性脑损伤(Traumatic brain injuries,TBI)模型中往往会出现脑损伤变形，传统电极显然不适用于TBI脑损伤模型中的电信号记录。为了证明CNT薄膜电极阵列在TBI 损伤模型记录中更有优势，按照如下步骤进行试验：

选取300g左右的SD大鼠为实验动物，如图6中a所示，将大鼠固定在脑定位仪上，用电钻在大鼠运动皮层区开一个5cm*5cm的窗口，将电极阵列小心铺在暴露的脑皮层表面。脑损伤由40g重锤从距大鼠暴露的硬脑膜7cm高度掉落造成，图6中b是重锤落下前后记录到的脑电信号，箭头标注了重锤落下的瞬间，同时记录了重锤落下前后电极的阻抗值，从107kΩ到114kΩ，说明重锤造成的电极变形并没有影响电极的性质，它仍可以正常工作。此外图6中c和d还分析了创伤前后的信号频域成分变化。可见，CNT薄膜电极阵列具有柔性和可拉伸性，在TBI模型电生理记录中具有一定的优越性。

Claims (10)

1.碳纳米管薄膜或由碳纳米管薄膜制成的电极或电极阵列在制备神经系统电光界面器件中的应用；或者，

由碳纳米管薄膜或由碳纳米管薄膜制成的电极或电极阵列组成的神经系统电光界面器件。

2.根据权利要求1所述的应用或神经系统电光界面器件，其特征在于：所述神经系统电光界面器件中，所述神经系统选自脊髓、外周神经系统和脑中的至少一种。

3.根据权利要求1或2所述的应用或神经系统电光界面器件，其特征在于：所述神经系统电光界面器件能够记录神经系统的神经活动和/或对神经系统进行成像和/或对神经系统进行光刺激。

4.根据权利要求1-3中任一所述的应用或神经系统电光界面器件，其特征在于：所述由碳纳米管薄膜制成的电极阵列由基底、图案化的碳纳米管薄膜和封装层组成；

其中，所述图案化的碳纳米管薄膜内嵌于所述基底中或位于基底表面，其裸露的一面被所述图案化的封装层覆盖，仅覆盖图案化碳纳米管薄膜作为引线的部分；

所述图案化的碳纳米管薄膜作为电极阵列的记录位点和引线。

5.根据权利要求4所述的应用或神经系统电光界面器件，其特征在于：构成所述基底的材料为PDMS；构成所述封装层的材料为SU-8。

6.碳纳米管薄膜或由碳纳米管薄膜制成的电极或电极阵列在制备可拉伸器件、透光器件或可拉伸透光器件中的应用；或者，

由碳纳米管薄膜或由碳纳米管薄膜制成的电极或电极阵列组成的可拉伸器件、透光器件或可拉伸透光器件。

7.根据权利要求6所述的应用或可拉伸器件、透光器件或可拉伸透光器件，其特征在于：所述可拉伸器件、透光器件或可拉伸透光器件为神经系统电光界面器件。

8.根据权利要求7所述的应用或可拉伸器件、透光器件或可拉伸透光器件，其特征在于：所述神经系统选自脊髓、外周神经系统和脑中的至少一种。

9.根据权利要求5-8中任一所述的应用或可拉伸器件、透光器件或可拉伸透光器件，其特征在于：所述神经系统电光界面器件能够记录神经系统的神经活动和/或对神经系统进行成像和/或对神经系统进行光刺激。

10.根据权利要求6-9中任一所述的应用或可拉伸器件、透光器件或可拉伸透光器件，其特征在于：所述由碳纳米管薄膜制成的电极阵列由基底、图案化的碳纳米管薄膜和封装层组成；

其中，所述图案化的碳纳米管薄膜内嵌于所述基底中或位于基底表面，其裸露的一面被所述图案化的封装层覆盖，仅覆盖图案化碳纳米管薄膜作为引线的部分；

所述图案化的碳纳米管薄膜作为电极阵列的记录位点和引线；

构成所述基底的材料具体为PDMS；构成所述封装层的材料具体为SU-8。