CN111990995A - 柔性电极植入系统 - Google Patents
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Abstract
一种柔性电极植入系统，包括：可折叠柔性电极，用于提取神经元的放电活动；植入导向仪器，包括植入导向平台和植入导向柱，用于将柔性电极送入目标脑区。本发明采用的是将柔性电极和植入工具结合的植入方式。所制备的柔性电极具有很好的生物相容性，不会引起过多的星型胶质细胞和小胶质细胞对神经细胞的信号采集，同时，电极足够的柔性使其跟随脑组织的移动而移动，减小了运动伪迹的产生。所制备的植入导向仪器进行体外辅助柔性电极植入，能够控制柔性电极的植入深度，不会造成额外的植入损伤，不会影响电极记录点界面环境。
Description
技术领域
本发明涉及微纳加工技术和生物电信号检测领域，具体涉及一种柔性电极植入系统。
背景技术
21世纪是脑科学的时代，研究人脑语言、记忆、思维、学习和注意等认知活动是当代科学发展的主流方向之一，神经电极为阐明各种脑认知活动神经机制提供了一种重要工具。传统的神经微电极质地坚硬，造成神经电极与神经组织之间机械性质不匹配，引起神经组织损伤及持续的免疫炎症反应，高分子材料的发展使得柔性电极成为神经电极的主流方向之一。低杨氏模量材料制备的柔性电极能够有效改善电极-脑组织界面的机械失配情况，确保了柔性电极记录点和神经元的相对位置，减小了运动伪迹，保证了信号质量。柔性材料能够抑制颅内细胞的免疫反应，实现神经电信号的长期稳定记录。
柔性电极在获取更好的生物相容特性的同时，牺牲了电极的刚性。柔性电极易形变，导致植入难度增加。为了将柔性电极植入体内，常使用以下方式将柔性电极植入颅内：一是通过注射植入；二是使用硅材料或钨钼合金等刚性材料作为辅助植入工具；三是使用聚乙二醇或壳聚糖等作为暂时加固材料，辅助柔性电极植入后被溶解吸收。
尽管这些植入方式取得了一定的效果，但通过这些方式植入方式有着很明显的弊端。一是这些方式需要借助侵入式辅助植入工具，导致额外植入损伤；二是柔性电极无法散开，限制了电极的有效作用脑区范围；三是辅助植入材料影响电极记录点的界面环境。
因此，亟需一种增强柔性电极的植入强度、降低操作难度、减轻额外的植入损伤以及便于确定记录点位置的柔性电极的植入方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种柔性电极及其制备方法和植入方法，以期部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种柔性电极植入系统，包括：
可折叠柔性电极，用于提取神经元的放电活动；
植入导向仪器，包括植入导向平台和植入导向柱，用于将柔性电极送入目标脑区。
其中，所述可折叠柔性电极采用双尖端结构；所述可折叠柔性电极与V字形PCB版封装保证柔性电极的折叠状态，增加刚性便于植入。
其中，所述可折叠柔性电极包括上下绝缘层，所述上下绝缘层为绝缘的柔性低杨氏模量的低介质生物材料，也需要足够的韧性以满足可折叠的要求，所述生物材料为聚酰亚胺(PI)。
其中，所述植入导向仪器能加工成微米级器件的刚性材料，所述刚性材料包括不锈钢材料。
其中，所述植入导向平台为开放式柱体结构，辅助可折叠柔性电极植入后能够撤离回收。
其中，所述植入导向柱为三棱柱，保证柔性电极的整体折叠效果，提升电极刚性。
其中，所述植入导向仪器通过激光刻蚀形成植入导向和植入导向柱；所述植入导向柱的表面进行机械抛光减小表面粗糙程度，减小柔性电极植入过程中的摩擦阻力。
其中，所述植入导向仪器打磨抛光后使用超声波清洗，去除表面颗粒等附着物。
其中，对所述植入导向平台进一步电解抛光，并使用振动搅拌溶液，使得植入导向平台表面光亮化，减小柔性电极植入过程中的摩擦阻力。
其中，所述植入导向仪器辅助柔性电极植入时，在植入导向仪器上滴加聚乙烯吡咯烷酮(PVP)水溶液用作润滑剂。
基于上述技术方案可知，本发明的柔性电极植入系统相对于现有技术至少具有如下有益效果之一或其中的一部分：
本发明采用的是将柔性电极和植入工具结合的植入方式。所制备的柔性电极具有很好的生物相容性，不会引起过多的星型胶质细胞和小胶质细胞对神经细胞的信号采集，同时，电极足够的柔性使其跟随脑组织的移动而移动，减小了运动伪迹的产生。所制备的植入导向仪器进行体外辅助柔性电极植入，能够控制柔性电极的植入深度，不会造成额外的植入损伤，不会影响电极记录点界面环境。
附图说明
图1是本发明实施例中的可折叠柔性电极的示意图；
图2是本发明实施例中的植入导向仪器的工程图；
图3是本发明实施例中的植入导向仪器的使用流程示意图。
具体实施方式
本发明设计微纳加工技术和生物电信号检测领域，具体涉及到柔性神经电极的植入方式，实现柔性电极的自体植入，低损伤、高质量提取神经元信号。
针对现有的柔性电极植入强度弱、操作困难、额外的植入损伤以及难以确定记录点位置等问题，本发明的主要目的在于提供一种的柔性电极的植入模型。其中所设计的柔性电极具备生物相容性，可减少电极植入脑组织后的免疫反应。同时，植入导向仪器用于实现柔性电极的自体植入，植入导向平台固定于开颅脑平面上，避免辅助植入工具进入脑内，减小了植入损伤面积。植入导向平台和植入导向柱使得柔性电极产生一个折叠角度，并维持折叠状态，这种折叠状态增加了柔性电极植入方向上的硬度，从而使得柔性电极的自体植入方式得以实现。本发明提供了一种新颖的柔性电极植入方案，可有效缓解传统柔性电极植入方式中损伤大、不散开、难定位等缺点。通过使用柔性电极及其自体植入方式，可实现植入位置可控、无额外脑区损伤、低运动伪迹和弱免疫反应，保证了所获取数据的稳定性和可靠性。同时，植入导向仪器能够按照要求定制，水平方向上可拓宽植入导向仪器上植入导向平台和植入导向柱的数目，实现多个柔性电极的植入，简化了多电极植入的手术流程，提高了动物实验效率。
具体的，本发明公开了一种柔性电极植入系统，包括：可折叠柔性电极，用于提取神经元的放电活动；植入导向仪器，包括植入导向平台和植入导向柱，用于将柔性电极送入目标脑区。
其中，所述可折叠柔性电极采用双尖端结构；所述可折叠柔性电极与V字形PCB版封装保证柔性电极的折叠状态，增加刚性便于植入。其中，所述可折叠柔性电极包括上下绝缘层，所述上下绝缘层为绝缘的柔性低杨氏模量的低介质生物材料，也需要足够的韧性以满足可折叠的要求，所述生物材料为聚酰亚胺(PI)。介电常数约为3.4，杨氏模量约为2.5GPa，拉伸强度≥100MPa。该材料良好的绝缘性能保证电极上各个记录点正常工作时互不串扰。相对于常用的微丝电极和硅电极来说，该电极具有更好的柔性，引起更少的免疫反应。
其中，所述植入导向仪器能加工成微米级器件的刚性材料，所述刚性材料包括不锈钢材料。其中，所述植入导向平台为开放式柱体结构，辅助可折叠柔性电极植入后能够撤离回收。其中，所述植入导向柱为三棱柱，保证柔性电极的整体折叠效果，提升电极刚性。
其中，所述植入导向仪器通过激光刻蚀形成植入导向和植入导向柱；所述植入导向柱的表面进行机械抛光减小表面粗糙程度，减小柔性电极植入过程中的摩擦阻力。其中，所述植入导向仪器打磨抛光后使用超声波清洗，去除表面颗粒等附着物。其中，对所述植入导向平台进一步电解抛光，并使用振动搅拌溶液，使得植入导向平台表面光亮化，减小柔性电极植入过程中的摩擦阻力。其中，所述植入导向仪器辅助柔性电极植入时，在植入导向仪器上滴加聚乙烯吡咯烷酮(PVP)水溶液用作润滑剂。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明中可折叠柔性电极示意图，包括上下绝缘层PI、中间导电层和记录点修饰层PEDOT：PSS。为了保证柔性电极的质量，采用温度梯度的方法固化绝缘层，采用电子束蒸发的方式生长金属导线，采用电化学沉积的方法修饰记录点界面。
图2和图3分别为本发明中植入导向仪器的工程图和植入流程示意图，植入仪器由激光刻蚀加工而成，包括植入导向平台和植入导向柱。
植入导向平台固定开颅区域的脑平面，植入导向平台和植入导向柱使得柔性电极产生并维持折叠状态以增加柔性电极的硬度，通过微推进器使得单独的柔性电极顺利进入脑区。
参阅图1-3，本发明提出了一种柔性电极的制备方案，并设计了匹配的植入工具，形成一个柔性电极植入系统，能够实现柔性电极的自体植入。整个植入系统操作步骤如下：
步骤1：挑选硅片，使用食人鱼溶液清洗干净，氮气抢吹干，并在120℃的烘箱中烘干15min。
步骤2：在清洗干净的硅片上溅射金属Ni作为牺牲层，用于将柔性电极从硬质的硅基板上释放下来。
步骤3：在步骤2的基础上旋涂3μm厚的PI，使用温度梯度的方式固化的PI有很好的致密性，保证了绝缘性能和防水性能。
步骤4：在步骤3的基础上电子束蒸发金属导电层，在蒸发金属前，通过氧等离子体刻蚀2min，用于提高不同材料之间的黏附性。
步骤5：在步骤4的基础上旋涂3μm厚的PI，使用温度梯度的方式固化。
步骤6：在步骤5的基础上刻蚀记录点和压焊点上的PI，暴露的记录点区域用于探测神经元的电信号，暴露的压焊点区用于连接后端计算机设备，对记录点提取的脑电数据进行分析。
步骤7：在步骤6的基础上用铬腐蚀液腐蚀记录点和压焊点上的上层金属铬。
步骤8：在步骤7的基础上将整个样品上的柔性电极沿设计的框架刻蚀成型。
步骤9：电解牺牲层金属Ni，将柔性电极释放下来。
步骤10：金丝压焊的方法将柔性电极封装在PCB版上，并焊上通用的omnetics接口，用于连接后端硬件。
步骤11：将0.1wt％的EDOT和0.2wt％的PSS以及2mg/mL的多壁碳纳米管(MWCNT)在混合在一起超声一小时形成稳定的混合镀液。
步骤12：在步骤11中的混合镀液中，用封装好的柔性电极作为工作电极，构建三电极体系，并使用化学工作站通过恒电流的方式在柔性电极的记录点上沉积PEDOT：PSS。
步骤13：挑选长度合适的不锈钢材料，使用激光器按照图2中上方的工程图对不锈钢进行加工，形成植入导向平台和植入导向柱。
步骤14：植入导向柱进行机械抛光减小表面粗糙程度，抛光后使用超声波清洗，去除表面颗粒等附着物。
步骤15：植入导向平台电解抛光，并使用振动搅拌溶液，使得植入导向平台表面光亮化，随后清洗干净。
步骤16：使用显微镜观察，通过微纳操作平台，将可折叠柔性电极尖端插入植入导向平台，使得柔性电极产生相应弯曲，同时使柔性电极针体和植入导向柱保持近乎重叠的平行状态，维持整个柔性电极的折叠状态，加强植入硬度。
步骤17：将携带柔性电极的植入导向仪器固定在微位移器上，柔性电极后端固定在另一个微位移器上。
步骤18：对被植入生物进行开颅手术，揭开硬脑膜后，将步骤15中的植入导向仪器移至暴露脑区平面上后固定位置。
步骤19：在植入导向仪器上滴加PVP水溶液用作润滑剂。
步骤20：间歇式调节固定柔性电极的微位移器，直至目标脑区深度。
步骤21：通过开放式植入导平台将植入导向仪器从脑平面移开，封闭植入损伤区，固定并连接好柔性电极接口。将植入导向仪器清洗干净，以备下次使用。
步骤22：柔性电极采集神经元放电活动，并传送至后端硬件上，以供科研工作者使用分析。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种柔性电极植入系统，其特征在于，包括：
可折叠柔性电极，用于提取神经元的放电活动；
植入导向仪器，包括植入导向平台和植入导向柱，用于将柔性电极送入目标脑区。
2.根据权利要求1所述的柔性电极植入系统，其特征在于，所述可折叠柔性电极采用双尖端结构；所述可折叠柔性电极与V字形PCB版封装保证柔性电极的折叠状态，增加刚性便于植入。
3.根据权利要求1所述的柔性电极植入系统，其特征在于，所述可折叠柔性电极包括上下绝缘层，所述上下绝缘层为绝缘的柔性低杨氏模量的低介质生物材料，也需要足够的韧性以满足可折叠的要求，所述生物材料为聚酰亚胺(PI)。
4.根据权利要求1所述的柔性电极植入系统，其特征在于，所述植入导向仪器能加工成微米级器件的刚性材料，所述刚性材料包括不锈钢材料。
5.根据权利要求1所述的柔性电极植入系统，其特征在于，所述植入导向平台为开放式柱体结构，辅助可折叠柔性电极植入后能够撤离回收。
6.根据权利要求1所述的柔性电极植入系统，其特征在于，所述植入导向柱为三棱柱，保证柔性电极的整体折叠效果，提升电极刚性。
7.根据权利要求1所述的柔性电极植入系统，其特征在于，所述植入导向仪器通过激光刻蚀形成植入导向和植入导向柱；所述植入导向柱的表面进行机械抛光减小表面粗糙程度，减小柔性电极植入过程中的摩擦阻力。
8.根据权利要求1所述的柔性电极植入系统，其特征在于，所述植入导向仪器打磨抛光后使用超声波清洗，去除表面颗粒等附着物。
9.根据权利要求1所述的柔性电极植入系统，其特征在于，对所述植入导向平台进一步电解抛光，并使用振动搅拌溶液，使得植入导向平台表面光亮化，减小柔性电极植入过程中的摩擦阻力。
10.根据权利要求1所述的柔性电极植入系统，其特征在于，所述植入导向仪器辅助柔性电极植入时，在植入导向仪器上滴加聚乙烯吡咯烷酮(PVP)水溶液用作润滑剂。
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