CN110495882A - 一种可延展的容性柔性生物电极阵列及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可延展的容性柔性生物电极阵列及其制备方法，属于医疗器械技术领域。本发明提供的生物电极阵列采用可延展柔性基底、可延展柔性中间层、金属电极阵列和可延展柔性介电层四层结构，可延展柔性基底和蛇形导线的结合，实现信号的采集。该生物电极不仅能够弯曲，还能实现现有柔性生物电极不能的拉伸效果，得益于自身良好的可延展性，可以保证与生物组织表面的紧密贴合，尤其是对于脑部具有接近球状的部位，其贴合效果更为优异，能够得到更高质量的信号采集效果。

Description

一种可延展的容性柔性生物电极阵列及其制备方法

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种可延展的容性柔性生物电极阵列及其制备方法。

背景技术

神经生理活动的监测在医学领域发挥着重要的作用，同时也是我们加深对潜在生理机能理解的重要手段。在神经生理监测技术中，单神经元记录(single-neuronrecording)、脑电图(EEG)记录和脑皮层电图(ECoG)记录是比较常见的三种记录方式。而对于长期神经信号监测而言，脑皮层电图(ECoG)是一个较好的选择，因为其能保证在有高的信号时空分辨率的情况下对脑部造成较小的损伤。当监测ECoG信号时，所采集的信号的质量通常由电极的电学性能以及电极阵列与生物组织的接触效果所影响。

目前用于监测生物信号的生物电极分为阻性生物电极和容性生物电极两类。阻性生物电极采集信号依靠电极触点与组织表面直接接触的方式来实现，这种采集方式无法避免外界因素造成的漏电安全问题，同时因为触点直接接触的关系，容易引起电刺激与过敏反应，对于长期信号监测而言并不是一个好的选择。容性生物电极的信号采集则是通过电容的耦合效应来实现，触点没有与组织表面直接接触，介电层的存在可以起到很好的保护作用，有效地避免漏电流的问题。对于容性生物电极，其一般要求较大的耦合面积才可获得较大的电容值从而提高信号采集质量，而要有较大的耦合面积则要求脑部开较大窗口，这样会对脑部造成更大损伤，因此降低耦合面积是容性生物电极必须考虑或克服的一个关键点。

电极与生物组织的接触效果一般取决于电极材料的延展性。传统的刚性电极常常存在与柔软弯曲的生物组织间接触不匹配的问题，使得信号采集效果受到一定影响。柔性电子技术是近年来飞速发展的一门学科，其中柔性生物电极可以在一定程度形变下仍保持电学性能的稳定。对于柔性电极，其又可以划分为可弯曲的柔性电极与可延展的柔性电极，其中可延展的柔性电极一般而言可以弯曲，而可弯曲的柔性电极却并不具备可延展的特性。当进行生物信号测量时，电极由于要与组织形成共形接触，使得其自身会有一个被拉伸的趋势，如果电极只可弯曲而没有可延展的特性，必然会使得接触效果变差；且在受到外界干扰的情况下，可延展的生物电极与生物组织接触更牢固使得其抗干扰能力更强。

目前，用于ECoG信号测量的生物电极大部分是阻性生物电极，或者是不具备可延展特性的容性生物电极，而使用可延展的柔性生物电极用于ECoG测量是必然的选择。因此，在设计和制备容性柔性生物电极时，不仅需要具备可延展的柔性特性以保证接触效果，同时还必须用尽量小的耦合面积来减小对脑部的创伤。

发明内容

针对背景技术所存在的问题，本发明的目的在于提供一种可延展的容性柔性生物电极阵列及其制备方法。该生物电极阵列采用四层结构，可延展柔性基底和蛇形线的结合，以及可延展柔性介电层材料的选取，实现了降低信号采集所需耦合面积，与生物组织良好贴合和保证信号采集质量的目的。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种可延展的容性柔性生物电极阵列，从下往上依次包括可延展柔性基底、可延展柔性中间层、金属电极阵列和可延展柔性介电层，所述金属电极阵列由阵列电极和焊盘组成，所述阵列电极与焊盘通过蛇形线连接，金属电极阵列由其上方的可延展柔性介电层所覆盖并使焊盘裸露，所述可延展柔性中间层的形状与金属电极阵列形状保持一致。

进一步地，所述可延展柔性基底为聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜，厚度为100～135μm；可延展柔性中间层为聚酰亚胺(PI)薄膜，厚度为2～3μm；金属电极阵列材料为Au，厚度为100～300nm；可延展柔性介电层为钛酸钡/聚二甲基硅氧烷(BaTiO₃/PDMS)复合薄膜，厚度为3～5μm。

进一步地，所述聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜由树脂与固化剂按质量配比为10：1制得。

进一步地，所述钛酸钡/聚二甲基硅氧烷(BaTiO₃/PDMS)复合薄膜中钛酸钡的含量为25～30wt％。

一种可延展的容性柔性生物电极阵列的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：在石英玻璃(SiO₂)上旋涂一层光刻胶，加热烘干后在光刻胶上旋涂聚二甲基硅氧烷(PDMS)，然后加热固化；

步骤2：在另一石英玻璃(SiO₂)上旋涂一层聚酰亚胺(PI)，然后加热固化；

步骤3：利用光刻技术和磁控溅射技术在步骤2得到的聚酰亚胺薄膜表面制备金属电极阵列；

步骤4：将步骤3得到的金属电极阵列和聚酰亚胺薄膜一同转移至步骤1得到的聚二甲基硅氧烷薄膜上；

步骤5：在步骤4所得到的样品上利用干法刻蚀除去没有金属电极阵列所阻挡部分的PI；

步骤6：在步骤5所得到的样品上，将大小和焊盘部分面积相同且质量配比为5：1的聚二甲基硅氧烷贴附于需要裸露的焊盘位置；

步骤7：在步骤6所得到的样品上，旋涂一层钛酸钡/聚二甲基硅氧烷，除去步骤6中贴附的聚二甲基硅氧烷，然后加热固化；

步骤8：将柔性生物电极阵列从石英玻璃基底上剥离，即可得到所述可延展的容性柔性生物电极阵列。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明柔性生物电极阵列中的可延展柔性基底采用的是PDMS薄膜材料，其杨氏模量为1.14MPa，可延展柔性介电层采用的是BaTiO₃/PDMS复合薄膜材料，其杨氏模量为1.84MPa，均远小于柔性电子技术中常用的PI材料的杨氏模量(其为2500MPa，约为PDMS的2500倍)；因此传统PI材料作为基底只可做到弯曲的效果，低杨氏模量的PDMS材料及BaTiO₃/PDMS复合材料却可拉伸，做到可延展的效果。针对于可延展中间层采用的PI材料和金属电极阵列，采用岛桥结构与蛇形线结构的改进使其也能达到可延展的效果。本发明得益于自身良好的可延展性，可以保证与生物组织表面的紧密贴合，尤其是对于脑部具有接近球状的部位，其贴合效果更为优异，能够得到更高质量的信号采集效果。

2.本发明中，可延展的容性柔性电极阵列与生物组织间的耦合电容大小可以根据公式计算，其中ε₀为真空介电常数，ε_r为可延展柔性介电层的介电常数，A为电容的耦合面积，d为电极阵列与生物组织间的距离。在保证C不变的前提下，通过增加可延展柔性介电层的介电常数ε_r即可减小电极所需的耦合面积A；因此，在本发明中通过使用高介电常数的BaTiO₃/PDMS复合薄膜成功减小测量信号部分电极所需耦合面积。

3.本发明为可延展的容性柔性生物电极阵列，其信号采集依据电容的耦合原理，电极阵列触点没有直接与生物组织表面接触，可延展柔性介电层的存在起到了一个很好的保护作用，有效地避免漏电流的问题。

附图说明

图1为本发明提供的一种可延展的容性柔性生物电极阵列示意图；

其中，1为测量信号的电极部分，2为焊盘部分。

图2为本发明实施例的可延展的容性柔性电极阵列的制备流程示意图。

图3为本发明实施例中使用的BaTiO₃/PDMS复合材料的制备流程示意图。

图4为本发明实施例利用制备的可延展的容性柔性电极阵列及传统螺钉电极采集到的EC oG信号图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

如图1所示，本发明为一种可延展的容性柔性生物电极阵列，从下往上依次为可延展柔性基底、可延展柔性中间层、金属电极阵列及可延展柔性介电层，所述金属电极阵列由其上方的可延展柔性介电层所覆盖且保证焊盘裸露，所述可延展柔性中间层的形状与金属电极阵列形状保持一致。

所述可延展柔性基底用于支撑整个电极部分，所述可延展柔性中间层与金属电极阵列材料之间黏附性很好，用作金属电极阵列的依托部分，所述金属电极阵列相当于平行板电容器的一面，用于与生物组织形成耦合和电流信号传导，所述可延展柔性介电层则是相当于平行板电容器的介质材料。

进一步的，所述可延展柔性基底膜由树脂与固化剂按照10：1的质量配比制备而成的PD MS薄膜，其厚度为100～135μm；所述可延展柔性中间层的厚度为2～3μm的PI薄膜；所述金属电极阵列的单个电极大小均为1.26mm×1.26mm，Au厚度为100～300nm；所述可延展柔性介电层的厚度为3～5μm，采用BaTiO₃的含量为25～30wt％的BaTiO₃/PDMS复合材料薄膜。

其中，金属电极阵列中的电极面积由实际测试面积限制确定，阵列个数增加带来通道数目的增多，能够反映不同区域的脑电差别。

实施例1

如图2所示，本实施例提供了一种可延展的容性柔性生物电极阵列的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1：将大小为16mm×12mm的SiO₂基片用丙酮、酒精清洗干净，然后在其上旋涂一层光刻胶，在100℃下加热2分钟烘干，在光刻胶上再旋涂一层120μm厚的PDMS薄膜，随后放入烘箱在60℃加热1小时固化，得到PDMS基底，其中，PDMS薄膜由树脂和固化剂按10：1配比混合均匀得到；

步骤2：将大小为16mm×12mm的SiO₂基片用丙酮、酒精清洗干净，然后在其上旋涂一层2μm厚的PI，随后放入烘箱在180℃下加热2小时固化；

步骤3：利用光刻技术和磁控溅射技术在步骤2得到的PI薄膜表面制备一层厚度为200n m、2×2的Au电极阵列，其中，阵列电极中单个电极的面积为1.26mm×1.26mm；

步骤4：将水溶胶带紧密贴于步骤3所得到的电极阵列之上，将PI层与Au电极阵列层一同从石英玻璃片上撕下，一同转移至步骤1得到的PDMS基底之上，然后用水冲洗除去水溶胶带；

步骤5：在步骤4所得到的样品上利用干刻技术除去没有金属电极阵列所阻挡部分的PI；

步骤6：在步骤5所得到的样品上，将大小为8mm×4mm×1mm，树脂和固化剂质量配比为5：1制备的PDMS贴附于需要裸露的焊盘位置，作为阻挡层；

步骤7：在步骤6所得到的样品上，旋涂一层4μm厚的BaTiO₃/PDMS复合薄膜，然后除去步骤6中贴附的PDMS，随后放入烘箱在80℃下加热2小时固化；

步骤8：在步骤7所得到的样品上，用镊子直接掀起作为可延展柔性基底的PDMS薄膜的一小部分，使该部分与其下的石英玻璃片上的光刻胶分开露出缝隙，用注射器往缝隙中缓慢注射丙酮，使光刻胶被溶解，从而将柔性生物电极阵列从石英玻璃基底上剥离，即可得到本发明所述可延展的容性柔性生物电极阵列。

将实施例1制得的可延展的容性柔性生物电极阵列植入大鼠左脑半球的视觉皮层区，将4个传统的螺钉电极植入大鼠右脑半球的视觉皮层区，两种电极同时记录大鼠的ECoG信号。如图4所示，为本发明实施例利用制备的可延展的容性柔性电极阵列及传统螺钉电极采集到的E CoG信号图；从图可知，两种电极采集到的ECoG信号具有相似的幅度变化特征，经计算两种电极间的皮尔森相关系数(r)平均值大于80％，表明本发明制备的可延展的容性柔性生物电极阵列能够成功采集到ECoG信号。

本实施例中所使用高介电常数BaTiO₃/PDMS复合材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将20g粒径小于100nm的BaTiO₃纳米颗粒加入到200ml、浓度为99.7％的乙醇中，超声分散，然后室温搅拌10分钟，得到溶液A；

步骤2：在溶液A中加入0.5g ATPS(3-氨丙基-三乙氧基硅烷)，室温搅拌10分钟，然后在70℃水浴下搅拌1小时，得到溶液B；

步骤3：将溶液B用8000r/min的速率离心处理5min，得到的粉末用酒精清洗后，在60℃下干燥6小时，得到改性后的BaTiO₃粒子；

步骤4：取7.5g改性后的BaTiO₃粒子加入到200ml的乙酸乙酯中，超声分散，然后室温搅拌10分钟，得到溶液C；

步骤5：在溶液C中加入20g的PDMS树脂，搅拌均匀后置于75℃的水浴中加热直至乙酸乙酯全部挥发，然后自然冷却；

步骤6：在步骤5冷却后的样品中加入PDMS固化剂2g，室温下搅拌10分钟，除去气泡即得到高介电常数BaTiO₃/PDMS复合材料，该复合材料中BaTiO₃含量约为25wt％。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (5)

1.一种可延展的容性柔性生物电极阵列，其特征在于，从下往上依次包括可延展柔性基底、可延展柔性中间层、金属电极阵列和可延展柔性介电层，所述金属电极阵列由阵列电极和焊盘组成，所述阵列电极与焊盘通过蛇形线连接，金属电极阵列由其上方的可延展柔性介电层所覆盖并使焊盘裸露，所述可延展柔性中间层的形状与金属电极阵列形状保持一致。

2.根据权利要求1所述可延展的容性柔性生物电极阵列，其特征在于，所述可延展柔性基底为聚二甲基硅氧烷薄膜，厚度为100～135μm；可延展柔性中间层为聚酰亚胺薄膜，厚度为2～3μm；金属电极阵列材料为Au，厚度为100～300nm；可延展柔性介电层为钛酸钡/聚二甲基硅氧烷复合薄膜，厚度为3～5μm。

3.根据权利要求2所述可延展的容性柔性生物电极阵列，其特征在于，所述聚二甲基硅氧烷薄膜由树脂与固化剂按质量比为10：1制得。

4.根据权利要求2所述可延展的容性柔性生物电极阵列，其特征在于，所述钛酸钡/聚二甲基硅氧烷复合薄膜中钛酸钡的含量为25～30wt％。

5.如权利要求1～4任一所述可延展的容性柔性生物电极阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在石英玻璃上旋涂一层光刻胶，加热烘干后，在光刻胶上旋涂聚二甲基硅氧烷，然后加热固化；

步骤2：在另一石英玻璃上旋涂一层聚酰亚胺，然后加热固化；

步骤3：利用光刻技术和磁控溅射技术在步骤2得到的聚酰亚胺薄膜表面制备金属电极阵列；

步骤4：将步骤3得到的金属电极阵列和聚酰亚胺薄膜一同转移至步骤1得到的聚二甲基硅氧烷薄膜上；

步骤5：在步骤4所得到的样品上利用干法刻蚀去除没有金属电极阵列所阻挡部分的聚酰亚胺；

步骤6：在步骤5所得到的样品上，将大小和焊盘部分面积相同且质量配比为5：1的聚二甲基硅氧烷贴附于需要裸露的焊盘位置；

步骤7：在步骤6所得到的样品上，旋涂一层钛酸钡/聚二甲基硅氧烷，除去步骤6中贴附的聚二甲基硅氧烷，然后加热固化；

步骤8：将柔性生物电极阵列从石英玻璃基底上剥离，即可得到所述可延展的容性柔性生物电极阵列。