CN109998533A - 一种柔性微针电极阵列装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种柔性微针电极阵列装置及制备方法，所述柔性微针电极阵列装置，包括柔性衬底，和柔性衬底上表面的由一个或多个柔性微针电极组成的柔性微针电极阵列，其中各柔性微针电极底面与柔性衬底上表面一体连通。所述柔性微针电极阵列装置的制备方法主要包含两步保形翻模工艺和两次金属溅射淀积工艺。本发明所公开的一种柔性微针电极阵列装置及制备方法具有工艺简单、成本低廉、微针延展性良好等优点，同时，该装置涉及的全部材料均为生物医学领域的常用材料，其生物相容性得到了广泛证实，无致敏、感染风险。

Description

一种柔性微针电极阵列装置及制备方法

技术领域：

本发明属于生物电信号监测技术领域，涉及一种微电极，尤其涉及一种柔性微针电极阵列，及其制备方法。

背景技术：

由人体生理活动所产生的生物电信号，通常可分为脑电(EEG)、肌电(EMG)、心电(ECG)、眼电(EOG)四种类型，能够反映出人体的生理和病理状况，其实时、连续监测具有重要的临床意义。

目前，临床上所使用的生物电信号监测设备所搭配的电极仍为传统的湿电极，如多导睡眠监测系统中常见的电极帽和金杯电极。湿电极在使用中要求使用磨砂膏对目标皮肤区域进行处理以去除部分角质层，并搭配导电膏使用以增强电极和皮肤之间的接触。这不仅使得湿电极的安装过程变得复杂，其阻抗特性仍然会受到高阻的角质层的影响，带来信号幅度的衰减和噪声水平的提高，且可能会造成皮肤过敏和损伤等副作用。

为解决湿电极的固有缺点，近年来新兴的表面带有微针电极阵列的干电极可刺破皮肤最外层角质，直接采集来自皮肤深处的电信号，不再需要皮肤处理和导电膏，就可以获得稳定、低阻的信号采集条件。同时，虽然微针电极阵列属于微创器械，但由于微针直径和长度微小，刺入皮肤后不会接触神经末梢和毛细血管，故不会引起痛觉和出血，在皮肤表面留下的微通孔也会在摘除电极后很快愈合。

已经报导的多种微针电极阵列产品主要分为两大类：基于刚性衬底的微针电极阵列和基于柔性衬底的微针电极阵列。中山大学刘彬等人(中国专利申请号201710091902.4)提出了一种直接在刚性的医用不锈钢衬底上激光切割出的倒刺结构微针电极阵列，这种电极存在与绝大多数刚性衬底电极相同的缺点，即刚性衬底与皮肤之间机械不匹配，在带来异物感的同时易发生相对滑动，容易造成阻抗特性波动和位移伪迹信号。中国科学半导体研究所裴为华等人(中国专利申请号201610115108.4)和北京大学李志宏等人(中国专利申请号201110301733.5)均提出过在柔性衬底上制作的硅微针电极阵列。相比之下，柔性衬底微针电极阵列可与弯曲的皮肤表面紧密贴合，更有利于电极位置的固定，且不易产生异物感。然而，这些电极阵列仍存在一些不足之处：1)制备过程均涉及针尖腐蚀或光刻等硅基微加工技术，成本较高；2)硅材料本身较脆，且刚性微针与PDMS、Parylene等柔性衬底之间采用键合或化学气相沉积方法接触，在取用和刺入皮肤过程中存在微针折断和脱落的风险，生物安全性存疑。因此，一种工艺简单、成本低廉、微针延展性良好的电极阵列对便捷、稳定、安全的生物电信号临床持续监测具有不菲的意义。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种工艺简单、成本低廉、微针延展性良好的柔性微针电极阵列。

本发明的另一目的在于提供一种制备上述柔性微针电极阵列装置的方法。

本发明的柔性微针电极阵列装置，包括柔性衬底，和柔性衬底上表面的由一个或多个柔性微针电极组成的柔性微针电极阵列，其中各柔性微针电极底面与柔性衬底上表面一体连通；外露的柔性衬底各表面和各柔性微针电极表面上依次淀积粘附层和表面金属导电材料层；

所述柔性衬底和柔性微针电极采用相同材料，为聚酰亚胺(PI)。

所述粘附层为金属钛层；所述表面金属导电材料为金或铂。

本发明的柔性微针电极阵列装置的制备方法，其步骤包括：

1、制备带一个或多个微针阵列的刚性模具；

2、在所述刚性模具上涂覆、固化、剥离柔性材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)，得到带一个或多个微孔阵列的柔性PDMS模具；

3、在所述柔性PDMS模具上涂覆、固化、剥离柔性材料PI，得到带一个或多个微针阵列的柔性薄膜结构；

4、将柔性薄膜结构裁切成适用大小后在表面分别溅射粘附层和导电金属材料层。

所述柔性微针电极包括一体连通的圆柱形底座和圆锥形针尖，圆锥形底面和圆柱形顶面重合。圆柱形底座的直径在50-300μm范围内，高度在0-900μm范围内，圆锥形针尖高度在μm100μm-1mm范围内；柔性微针电极的总高度＝圆柱形底座高度+圆锥形针尖高度，在100μm-1mm范围内；当圆柱形底座高度为0时，柔性微针电极为圆锥形。所述柔性衬底厚度为10μm-500μm；粘附层厚度为5nm-20nm；表面金属导电材料层厚度为50nm-500nm。相邻的柔性微针电极的中心距不小于柔性微针电极的底部直径，在100μm-1mm范围内。柔性微针电极阵列边缘距柔性衬底边缘的距离最小为0，即最外围微针底部边缘紧贴柔性衬底边缘。

需要说明的是，衬底厚度过大会导致其柔性变差，过小则导致其强度较低；当所述柔性衬底厚度为10μm-500μm时，可保证衬底同时具备良好的柔性及足够的强度。表面金属导电材料层厚度过低会影响其工艺均匀性及导电性，过高则影响衬底的柔性，当所述表面金属导电材料层厚度为50nm-500nm时，既保证了其良好的工艺均匀性、导电性，又保证了衬底良好的柔性。

需要说明的是，柔性微针电极尺寸的设计重点需要考虑微针的强度及高度，当微针底部直径低于50μm时，在微针高度一致的情况下，微针过细而易折断；当其底部直径高于300μm时，在微针高度一致的情况下，穿刺时会产生较大针孔，不能保证对皮肤的微创。所述微针电极针尖高度的限定，是为了既保证其可以穿透皮肤高阻角质层，对皮肤实现微创，又保证了其具有一定的强度而不会因为过高而易折断。

需要说明的是，当粘附层厚度为5nm时，即保证了其良好的粘附作用，多于20nm则无更多意义。

需要说明的是，所述柔性微针电极阵列中微针可以有多种排列形式，优选为10×10或15×15方阵的形式，这两种规模既保证了微针电极和皮肤足够的接触面积，也保证了电极尺寸不会太大。

需要说明的是，所述相邻的柔性微针电极的中心距的限定既保证了合适的电极尺寸，有保证了对皮肤的微创，不会导致由于过小的中心距而造成针孔过密。

本发明的柔性微针电极阵列装置具有以下优点：

1)微针电极能够刺透皮肤表面的高阻角质层，直接与皮肤深处接触，且未到达神经末梢和毛细血管，既省去了繁琐且有过敏、伤害风险的皮肤处理和涂抹导电膏的过程，又能实现低阻、低噪声信号记录，且不会造成痛感、出血等副作用。

2)柔性衬底可与弯曲的皮肤表面机械匹配，便于电极的稳定固定，既消除了异物感，又能够避免相对移动造成的阻抗波动和位移伪迹信号。

3)该微针电极阵列的制备方法简便，不需要复杂和昂贵的工艺操作(如光刻、各向异性腐蚀等)，成本低廉，适合作为一次性使用以保证最佳性能和避免沾污。

4)该微针电极阵列的阵列规模、微针高度、微针直径完全取决于刚性模具，通过选取不同的刚性模具，制备出的柔性微针电极阵列的形貌参数灵活可调，而无需探索新的工艺参数。

5)该微针电极阵列涉及的全部材料(PI、钛、金、铂)均为生物医学领域的常用材料，其生物相容性得到了广泛证实，无致敏、感染风险。

6)微针电极阵列的体材料为可延展的PI，且与柔性衬底一体成型，在取用和刺入皮肤过程中受力时更倾向于弯曲而非折断或脱落，安全性高。

附图说明：

图1微针形貌为圆锥形的本发明所述柔性微针电极阵列装置示意图

图2微针形貌包含圆柱形底座和圆锥形针尖的本发明所述柔性微针电极阵列装置示意图图3(a)-图3(h)制备本发明所述柔性微针电极阵列装置的示意图

其中，11a 柔性衬底上表面；11b 柔性衬底侧面；12 圆锥形柔性微针电极；

21a 柔性衬底上表面；21b 柔性衬底侧面；

22a 柔性微针电极圆柱形底座；22b 柔性微针电极圆锥形针尖；

311 刚性衬底；312 刚性微针；321 无盖容器；

322 液态PDMS；331 PDMS本体；332 微孔阵列；

341 柔性PI衬底；342 微针阵列；351 表面覆盖金属的柔性衬底；352 表面覆盖金属的微针电极阵列。

具体实施方式：

以下通过不同实施例来进一步说明本发明的柔性微针电极阵列装置及其制备方法。

本发明的柔性微针电极阵列装置中的柔性微针电极包括两种形状，如图1和图2所示。制备本发明的柔性微针电极阵列装置主要包含两步保形翻模工艺和两次金属溅射淀积工艺，通过在刚性微针阵列模具上浇注、固化、剥离聚二甲基硅氧烷(PDMS)，制备出带有微孔阵列的PDMS模具，在PDMS模具上涂覆、固化、剥离PI，制备出带有微针阵列的PI薄膜，最后将该薄膜裁切成合适大小，并分两次在正、反面溅射金属层，完成电极器件制备。

实施例1

如图1所示，该柔性微针电极阵列装置的电极为圆锥形微针电极。

参看图3(a)，采用刚性模具，包含刚性衬底311和刚性微针312阵列，两者材料均可为硅、玻璃、陶瓷、印刷电路板和不锈钢、铝合金、铜等常见金属以及聚四氟乙烯(PTFE)、ABS、聚偏氟乙烯(PVDF)等常见塑料。刚性微针阵列的形貌参数完全决定了最终制备的柔性微针阵列的形貌参数。

如图3(b)，将刚性模具放置在无盖容器321中，向容器内浇注PDMS的主剂和固化剂，比例为10:1-20:1，使液态PDMS 322完全浸没刚性模具，再将容器置于80℃环境下3小时，使PDMS固化。

如图3(c)，将固化后的PDMS连同刚性模具从容器中取出，沿刚性模具的边沿切除多余的PDMS，将覆盖在刚性微针阵列之上的PDMS剥离下来。

图3(d)为剥离下来的PDMS模具，包含PDMS本体331和微孔332阵列。微孔阵列的形貌完全互补复刻刚性模具上的微针阵列形貌。

如图3(e)，在PDMS模具上涂覆一层液态PI，使液态PI完全填充PDMS模具上的微孔阵列。对于非光敏型液态PI，放置于高温环境中固化；对于光敏型液态PI，采用高温烘烤和紫外曝光结合使之固化。固化过程中使用的烘烤温度、烘烤时间和曝光时间依据所使用PI的具体型号而定。

如图3(f)，将固化后的PI从PDMS模具上剥离下来。剥离后的PI如图3(g)，包含PI衬底341和PI微针342阵列。微针阵列的形貌完全互补复刻PDMS模具上的微孔阵列形貌，也即完全复刻刚性模具上的微针阵列形貌。

将PI裁切至合适大小，并分两次在正、反两面溅射金属层。金属层材料为钛/金双层或钛/铂双层。通过两次溅射，金属层不仅能完全覆盖PI的正、反两面，也能够完全覆盖四个侧面，使得正、反面电学连通。如图3(h)，得到的柔性微针电极阵列包含完全覆盖金属层的柔性衬底351和微针阵列352。

实施例1的柔性衬底厚度在10μm-500μm范围内，表面材料为金或铂，厚度为50nm-500nm，表面材料完全包覆柔性衬底的各面：正面11a、侧面11b(四个)、背面(图中未示出)；柔性衬底的背面可通过焊接或导电银胶粘接等方式引出导线。柔性微针电极为圆锥形，材料与柔性衬底的材料相同，底面与柔性衬底正面一体连通；底部直径在50μm-300μm范围内，高度在100μm-1mm范围内；表面材料完全包覆微针；在表面材料与衬底和微针的表面之间有钛层用作二者的粘附层，钛层厚度为5nm-20nm。

本实施例制备的柔性微针电极阵列最少包含1根微针，最多不设上限，优选为10×10或15×15的规模，这两种规模既保证了微针电极和皮肤足够的接触面积，也保证了电极尺寸不会太大，且不限于方阵的形式。

阵列中相邻微针中心距在100μm-1mm范围内。值得说明的是，对于特定底部直径的微针，相邻中心距大于微针底部直径，即若微针底部直径为200μm，则微针中心距范围应为200μm-1mm。

本实施例的微针电极阵列边缘距柔性衬底边缘的距离最小为0，即最外围微针底部边缘紧贴柔性衬底边缘，最大则没有特定要求。

实施例2

如图2所示，该柔性微针电极阵列装置的电极微针形貌包含圆柱形底座和圆锥形针尖。

实例2所述的柔性微针电极阵列装置的制备过程与实施例1相同，区别仅在于初始的刚性模具上微针的形貌。在本实施例中，微针电极22包含圆柱形底座22a和圆锥形针尖22b，两者一体连通；圆柱形底座直径在50-300um范围内，高度在0-900um范围内，圆锥形针尖高度在100um-1mm范围内；微针总高度＝圆柱形底座高度+圆锥形针尖高度，在100um-1mm范围内。

Claims (10)

1.一种柔性微针电极阵列装置的制备方法，其步骤包括：

1)、制备带一个或多个微针阵列的刚性模具；

2)、在所述刚性模具上涂覆、固化、剥离柔性材料PDMS，得到带一个或多个微孔阵列的柔性PDMS模具；

3)、在所述柔性PDMS模具上涂覆、固化、剥离柔性材料PI，得到带一个或多个微针阵列的柔性薄膜结构；

4)、将柔性薄膜结构裁切成适用大小后在表面分别溅射粘附层和导电金属材料层。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，分两次在柔性衬底的正、反两面分别溅射金属粘附层和导电金属材料层，形成为钛/金双层结构，或钛/铂双层结构，所述金属粘附层和导电金属材料层能完全覆盖PI的正、反两面及四个侧面，使得PI的正、反面电学连通。

3.一种柔性微针电极阵列装置，包括柔性衬底，和柔性衬底上表面的由一个或多个柔性微针电极组成的柔性微针电极阵列，其特征在于，各柔性微针电极底面与柔性衬底上表面一体连通；外露的柔性衬底各表面和各柔性微针电极表面上依次淀积粘附层和表面金属导电材料层。

4.如权利要求3所述的柔性微针电极阵列装置，其特征在于，所述柔性衬底和柔性微针电极采用相同材料PI。

5.如权利要求3所述的柔性微针电极阵列装置，其特征在于，所述粘附层为金属钛层；所述表面金属导电材料为金或铂。

6.如权利要求3所述的柔性微针电极阵列装置，其特征在于，所述柔性微针电极包括一体连通的圆柱形底座和圆锥形针尖，圆锥形底面和圆柱形顶面重合；圆柱形底座的直径在50-300μm范围内，高度在0-900μm范围内，圆锥形针尖高度在100μm-1mm范围内；柔性微针电极的总高度＝圆柱形底座高度+圆锥形针尖高度，在100μm-1mm范围内。

7.如权利要求6所述的柔性微针电极阵列装置，其特征在于，相邻的柔性微针电极的中心距不小于柔性微针电极的底部直径，在100μm-1mm范围内；柔性微针电极阵列边缘距柔性衬底边缘的距离最小为0，即最外围微针底部边缘紧贴柔性衬底边缘。

8.如权利要求3-7任一所述的柔性微针电极阵列装置，其特征在于，所述柔性衬底厚度为10μm-500μm；粘附层厚度为5nm-20nm；表面金属导电材料层厚度为50nm-500nm。

9.如权利要求3-7任一所述的柔性微针电极阵列装置，其特征在于，各所述微针电极组成不同形式的阵列，包括方阵。

10.如权利要求3-7任一所述的柔性微针电极阵列装置，其特征在于，在所述柔性衬底的背面通过焊接或导电银胶粘接的方式引出导线。