CN112006685B - 皮层癫痫脑功能定位柔性微纳电极阵列及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种皮层癫痫脑功能定位柔性微纳电极阵列及其制备方法，其中皮层癫痫脑功能定位柔性微纳电极阵列包括基底层，为柔性材料；导电层，形成于所述基底层上；所述导电层包括微电极阵列、引线和焊盘；其中，微电极阵列，所述微电极阵列包括多个检测位点；所述多个检测位点以矩阵形式排布；焊盘，通过引线与所述微电极阵列连接；绝缘层，为柔性材料，形成于所述导电层上；其中，所述绝缘层覆盖所述引线，并暴露所述微电极阵列和焊盘。本发明采用微机电系统加工工艺进行制备，实现同时检测单细胞动作电位信号及多细胞场电位信号，有利于皮层脑区癫痫灶的精准功能定位。
Description
技术领域
本发明涉及生物传感器的微加工领域，纳米材料修饰的电化学领域以及神经信息检测领域，尤其涉及一种皮层癫痫脑功能定位柔性微纳电极阵列及其制备方法。
背景技术
大脑是生物体的中枢神经系统，也是最为复杂的组织结构。脑功能的复杂性在于其对大量多维神经信息的整合与处理。对这些多维信息进行全面、准确、实时地检测，对脑科学及神经性疾病的研究具有重要意义。
癫痫病是一种常见的神经系统疾病。大脑在正常生理情况下，表面会产生非常微弱的放电且具有一定模式。癫痫病具有复杂的发病机制，表现为大脑皮层异常放电并伴随肢体抽搐或意识异常。医学上通过观察大脑皮层细胞放电模式的改变，对癫痫病进行诊断与治疗。因此，脑电信号的检测对病灶的精准定位至关重要。
临床上主要通过头皮脑电图及影像学的方法对癫痫患者进行诊断。头皮脑电距大脑皮层较远，经由的中间组织多，因此信号衰减严重，空间分辨率较差，灵敏度不高，难以精确定位癫痫病灶。常用的植入式硅基电极具有较高的空间分辨率，被广泛用于癫痫病的研究。但由于植入式电极对脑组织具有侵入性，刚性硅基材料会对柔性脑组织造成一定损伤，因此多被用于局部小范围区域的研究，局限了其在大范围脑区的使用。目前很成熟的头皮脑电和植入式电极这两种技术手段，虽然各具优势，但仍难以实现在大范围脑区上功能定位癫痫病灶。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种皮层癫痫脑功能定位柔性微纳电极阵列及其制备方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题的至少之一。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
作为本发明的一个方面，提供一种皮层癫痫脑功能定位柔性微纳电极阵列，包括：
基底层，为柔性材料；
导电层，形成于所述基底层上；所述导电层包括微电极阵列、引线和焊盘；其中，
微电极阵列，所述微电极阵列包括多个检测位点；所述多个检测位点以矩阵形式排布；
焊盘，通过引线与所述微电极阵列连接；
绝缘层，为柔性材料，形成于所述导电层上；其中，所述绝缘层覆盖所述引线，并暴露所述微电极阵列和焊盘。
作为本发明的另一个方面，还提供一种如上所述的皮层癫痫脑功能定位柔性微纳电极阵列的制备方法，包括如下步骤：
在基底上由下至上依次形成牺牲层、基底层和金属层；
采用光刻技术，在金属层上形成第一版图形化的光刻胶；
以第一版图形化的光刻胶为掩模，湿法腐蚀金属层，形成导电层；
在导电层上形成绝缘层；
采用光刻技术，在绝缘层上形成第二版图形化的光刻胶；
以第二版图形化的光刻胶为掩模，刻蚀绝缘层至使微电极阵列和焊盘裸露；
刻画微电极阵列的每个微电极的独立外形轮廓；
去除牺牲层，使基底脱离；
在所述微电极阵列的检测位点上修饰纳米粒子，得到皮层癫痫脑功能定位柔性微纳电极阵列。
从上述技术方案可以看出，本发明相较于现有技术至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)本发明提供的皮层癫痫脑功能定位柔性微纳电极阵列，采用柔性的复合基底，极大地减少了电极对脑组织的损伤；并且，微电极阵列包括多个检测位点，且检测位点以矩阵形式排布，提升了时空分辨率；整体结合适于皮层癫痫脑功能定位；
(2)微电极阵列具有包括直径为1μm，20μm，30μm，40μm，50μm的128个微米级电极位点的阵列式排布，相邻两个检测位点之间的间隔为100μm～200μm，相较于传统脑电极极大地提升了时空分辨率；分布不同尺寸的电极位点，既有利于分析脑区的宏观整体情况，也有助于在单细胞水平上进行更为细致的神经元活动分析；
(3)微电极阵列直接贴附于颅内脑皮层表面，记录电生理活动，排除了中间组织对脑电活动记录的影响，并降低了脑电活动向周围扩布对判断病灶的影响，提升了灵敏度；
(4)微电极阵列的覆盖面积为横向3mm～5mm、纵向3mm～1mm，使该微电极阵列横跨多个脑区，可同时检测大范围、多脑区的皮层神经电生理活动；结合高时空分辨的优势，可实现准确定位癫痫病灶，并可对运动、感觉等重要脑功能区进行定位，实现手术导航；该皮层癫痫脑功能定位柔性微纳电极阵列为癫痫等神经系统疾病的研究提供了新方法。
附图说明
图1为本发明实施例的皮层癫痫脑功能定位柔性微纳电极阵列结构示意图；
图2为本发明实施例的微电极阵列的局部放大示意图；
图3为本发明实施例的皮层癫痫脑功能定位柔性微纳电极阵列的多通道位点排布及位点尺寸示意图；
图4为本发明实施例的皮层癫痫脑功能定位柔性微纳电极阵列制备方法的工艺流程图。
以上附图中，附图标记含义如下：
1、微电极阵列；2、引线；3、焊盘；4、检测位点；5、接地位点。
具体实施方式
针对癫痫脑皮层精准定位的需求，本发明设计了一种脑皮层癫痫高时空分辨功能定位的皮层癫痫脑功能定位柔性微纳电极阵列。基于柔性的机械性能，电极可紧密贴附于脑皮层表面进行电生理信号检测。通过高密度的微电极阵列，实现局部脑区的高空间分辨率检测；通过128通道的多通道设计，实现横跨多个皮层脑区的大范围实时检测。结合包含单细胞大小在内的微电极记录通道，实现高时空分辨检测，既可以获取包含神经元群体的缓变的场电位信号，也可以同时获取瞬变的单细胞动作电位信号，全面精准地分析癫痫脑皮层电生理活动的特性变化，从而实现皮层癫痫功能定位。另一方面亦可通过电极进行皮层脑区的电刺激或通过分析特征神经信号，定位如运动，感觉等重要脑功能区，从而指导手术。
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。
作为本发明的一个方面，提供一种皮层癫痫脑功能定位柔性微纳电极阵列，包括：
基底层，为柔性材料；
导电层，形成于基底层上；导电层包括微电极阵列、引线和焊盘；其中，
微电极阵列，微电极阵列包括多个检测位点；多个检测位点以矩阵形式排布；多个检测位点以矩阵形式排布于多个皮层脑区，用于检测脑皮层大范围脑区的神经电生理信号；
焊盘，通过引线与微电极阵列连接；其中，焊盘用于实现与后端设备的电气连接；
绝缘层，为柔性材料，形成于导电层上；其中，绝缘层覆盖引线，并暴露微电极阵列和焊盘。
在本发明的实施例中，检测位点的位点直径包括1μm～50μm；其中，检测位点的直径包括多种不同尺寸样式，为高时空分辨的检测位点，既可检测毫秒级瞬变的单细胞动作电位信号又可检测相较缓变的多细胞场电位信号。
检测位点的排布范围包括：宽度为0.3cm～0.5cm；长度为0.3cm～1cm；其中，检测位点的排布范围广，可覆盖多个皮层脑区，包括运动皮层、视皮层、听觉皮层，感觉皮层等。当然，可以理解的，该皮层癫痫脑功能定位柔性微纳电极阵列不局限于大鼠脑区，还可应用于猴脑区或者猪脑区，可针对不同实验对象进行信号采集。
相邻两个检测位点之间的间隔为100μm～200μm。相邻两个检测位点之间的间隔小，使单位排布范围中的检测位点密集，在每个皮层脑区上都分布10～30个数目不等的具有不同尺寸的多个高时空分辨的电极位点，用于检测皮层神经细胞的电生理信号。
在本发明的优选实施例中，检测位点的位点直径包含1μm、20μm、30μm、40μm和/或50μm。
在本发明的优选实施例中，检测位点包括128个；
检测位点阵列分8行排布，每行均匀分布16个；
相邻两行之间的间隔为900μm；每行中相邻两个检测位点之间的间隔为200μm。
在本发明的实施例中，检测位点采用纳米粒子进行修饰；
纳米粒子包括铂黑纳米粒子、聚(3，4-乙烯二氧噻吩)纳米粒子或者碳纳米管纳米粒子。纳米粒子可降低电极阻抗，增加相位，改善信号延迟，提升信号检测质量。
在本发明的实施例中，焊盘的尺寸符合标准接口要求，用于与一后端接口电气连接；
焊盘的背面贴附聚酰亚胺片，用于满足插入后端接口时的硬度和厚度。
更为具体的，焊盘用于与后端接口的可靠电气连接；后端接口为FPC连接器，通过将电极焊盘部分插入后端接口实现电气连接；焊盘部分的背面贴附具有一定硬度的聚酰亚胺薄片以实现插入后端接口所需的硬度及厚度；FPC连接器通过焊接的方式连接到接口电路板，接口电路板一端连接电极，另一端连接后端电生理信号记录仪器。
在本发明的实施例中，皮层癫痫脑功能定位柔性微纳电极阵列还包括粘附层，粘附层形成于基底层和导电层之间；起到将金属层与基底层结合更牢固的作用；
粘附层的材料包括铬或钛。
在本发明的实施例中，基底层包括具有生物相容性的柔性复合层；
基底层包括聚二甲基硅氧烷、聚对二甲苯形成的复合层；
导电层的导电材料包括铬/金或钛/铂；
绝缘层为单一柔性材料，包括聚二甲基硅氧烷或聚对二甲苯。
在本发明的实施例中，基底层的厚度为10μm～20μm，基底层的厚度可根据实验需求进行工艺上的调整；绝缘层的厚度为1μm～2μm，利于微电极阵列的检测位点与皮层细胞充分接触，从而灵敏，准确地监测微弱的电生理信号。
作为本发明的另一个方面，还提供一种如上的皮层癫痫脑功能定位柔性微纳电极阵列的制备方法，包括如下步骤：
在基底上由下至上依次形成牺牲层、基底层和金属层；
在本发明实施例中，基底为表面经过处理的玻璃片或硅片；溅射金属铝或气相沉积二氧化硅，形成牺牲层；在氧等离子清洁后的牺牲层表面，旋涂聚二甲基硅氧烷，固化后，通过气相沉积的方式，沉积聚对二甲苯薄膜，形成柔性复合的基底层；在表面处理后的基底层表面，溅射或蒸镀铬/金、钛/铂之一，形成金属层，
采用光刻技术，在金属层上形成第一版图形化的光刻胶；
以第一版图形化的光刻胶为掩模，湿法腐蚀金属层，形成导电层；
在本发明实施例中，经光刻、显影、腐蚀的过程，将金属层图形化，形成微电极阵列、引线、焊盘的导电层；
在导电层上形成绝缘层；
在本发明实施例中，在氧等离子清洁后的导电层表面，通过旋涂或气相沉积的方式，形成绝缘层，将导电层全部覆盖；
采用光刻技术，在绝缘层上形成第二版图形化的光刻胶；
以第二版图形化的光刻胶为掩模，刻蚀绝缘层至使微电极阵列和焊盘裸露；
在本发明实施例中，在绝缘层表面，通过旋涂光刻胶进行套刻，暴露出微电极阵列和焊盘区域，再通过等离子体刻蚀的方式，刻蚀微电极阵列和焊盘上的绝缘层，直至暴露出导电层；
刻画单个微电极阵列的每个微电极的独立外形轮廓；
在本发明实施例中，通过激光刻蚀、等离子体刻蚀或裁剪加工的方式刻画电极外形轮廓；
去除牺牲层，使基底脱离；
在本发明的实施例中，通过湿法腐蚀的方式，腐蚀掉牺牲层，将电极从玻璃片或硅片上释放下来；
在微电极阵列的检测位点上修饰纳米粒子，得到皮层癫痫脑功能定位柔性微纳电极阵列。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明，但需要注意的是，下述的实施例仅用于说明本发明的技术方案，但本发明并不限于此。
图1所示为本发明提出的一种皮层癫痫脑功能定位柔性微纳电极阵列，由微电极阵列1，引线2，焊盘3构成。微电极阵列1通过引线2与长方形的焊盘3连接。单个焊盘尺寸为2700μm×300μm，焊盘间距为0.5mm，符合FPC接口的标准尺寸。焊盘部分分成两半，每半宽度为3.35cm。电极通过FPC接口引出，再由焊接的方式将FPC接口焊接到接口电路板，与后端信号记录仪器相连接。电极的整体结构中前端微电极阵列部分的宽度为1cm，跨越了大鼠的整个半球脑区，从前端到末端的皮层癫痫脑功能定位柔性微纳电极阵列的总体长度为6.4em。
图2所示为微电极阵列的局部放大示意图。微电极阵列1包含128个圆形微电极检测位点4，4个长方形接地位点5。所有检测位点4构成16×8微电极阵列，阵列分八行排布，每行横向均匀分布16个位点，位点间的横向间隔为200μm，纵向间隔为900μm，横向和纵向的间隔选取避免了检测位点4及引线2间的相互串扰。
图3示意了微电极阵列的位点排布方式及位点的尺寸，包含了直径为1μm，20μm，30μm，40μm，50μm的检测位点4。检测位点4覆盖面积为横向3mm×纵向7.6mm，跨越了如图中所示的运动区，感觉区，视觉区等多个脑区，具体为：M2(secondary motor cortex)次级运动皮层，M1(primary motor cortex)初级运动皮层，S1(primary somatosensory cortex)初级体感皮层，RSD(retrosplenial dysgranular cortex)脾后粒状皮层，PtA(parietalassociation cortex)顶叶皮层，V2(secondary visual cortex)次级视皮层。当然，脑区的选取不局限于图中所示的例子，可根据实际的检测需求，选取不同的皮层区域贴附电极阵列。检测位点与皮层神经细胞紧密贴附，结合后端多通道电生理信号记录仪，即可进行大鼠在体癫痫电生理信号检测，对动作电位信号及场电位信号提取特征向量，采用聚类等算法进行自相关及互相关分析，得到癫痫状态下神经元特性及神经元群体间的相互关系，实现癫痫灶功能定位；亦可对皮层脑区施加电刺激或依据特征神经信号，定位脑功能区。
本实施例中，一种皮层癫痫脑功能定位柔性微纳电极阵列的具体制备过程参考图4，详述如下：
1、在经表面清洁处理的玻璃片表面溅射厚度为
的Al(铝)作为牺牲层，目的是最终通过湿法腐蚀的方式将电极从玻璃片表面释放；在Al表面旋涂厚度为10μm～20μm的PDMS(聚二甲基硅氧烷)，置于热板，烘烤固化；在PDMS表面蒸镀厚度为1μm～2μm的Parylene(聚对二甲苯)，形成柔性复合基底层(如图4a所示)；
2、在聚对二甲苯表面溅射厚度为
的Cr(铬)种子层，以增加Au(金)导电薄膜层与聚对二甲苯基底的粘附性，接着溅射/>
的金薄膜层；在经氧等离子体清洁的金表面，旋涂正性光刻胶AZ1500，厚度为1.5μm；光刻、显影后得到微电极阵列、引线及焊盘的结构图案(如图4b所示)；
3、采用湿法腐蚀工艺去除多余的Cr/Au薄膜层，留下所需微电极阵列、引线及焊盘，并通过丙酮浸泡和氧等离子体刻蚀工艺除去金属层表面残留的光刻胶(如图4c所示)；
4、在电极结构Au薄膜层表面蒸镀厚度为1μm～2μm的聚对二甲苯绝缘层(如图4d所示)；
5、在聚对二甲苯表面旋涂正性光刻胶AZ4620进行第二次光刻，暴露出电极位点(包括检测位点和接地位点)和焊盘部分，保留引线部分的光刻胶(如图4e所示)；
6、通过氧等离子体刻蚀工艺对暴露的电极位点和焊盘表面的聚对二甲苯进行刻蚀，刻蚀尽至暴露金属层，同时保留引线表面的聚对二甲苯绝缘层(如图4f所示)；
7、通过湿法腐蚀工艺腐蚀Al牺牲层，微电极从玻璃基底上释放下来(如图4g所示)；
8、将电极连接至电化学工作站，通过电化学沉积的方式，将具有提高电极检测能力的纳米粒子沉积到电极位点表面，得到皮层癫痫脑功能定位柔性微纳电极阵列(如图4h所示)。
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 (8)
1.一种皮层癫痫脑功能定位柔性微纳电极阵列，用于直接贴附于脑皮层表面，其特征在于，包括：
基底层，为柔性材料；所述基底层包括聚二甲基硅氧烷、聚对二甲苯形成的复合层；
导电层，形成于所述基底层上，所述导电层是在所述基底层上进行沉积、光刻和腐蚀得到的；所述导电层包括微电极阵列、引线和焊盘；其中，
微电极阵列，所述微电极阵列包括多个检测位点；所述多个检测位点可覆盖多个皮层脑区；所述多个检测位点以矩阵形式排布；所述检测位点的位点直径包括1μm～50μm；所述检测位点的排布范围包括：宽度为0.3cm～0.5cm；长度为0.3cm～1cm；相邻两个检测位点之间的间隔为100μm～200μm；
焊盘，通过引线与所述微电极阵列连接；
绝缘层，为柔性材料，形成于所述导电层上；其中，所述绝缘层覆盖所述引线，并暴露所述微电极阵列和焊盘；
所述检测位点包括128个；
所述检测位点阵列分8行排布，每行均匀分布16个；
相邻两行之间的间隔为900μm；每行中相邻两个检测位点之间的间隔为200μm；
所述焊盘的背面贴附聚酰亚胺片，用于满足插入后端接口时的硬度和厚度。
2.如权利要求1所述的皮层癫痫脑功能定位柔性微纳电极阵列，其特征在于，
所述检测位点的位点直径包含1μm、20μm、30μm、40μm和/或50μm。
3.如权利要求1所述的皮层癫痫脑功能定位柔性微纳电极阵列，其特征在于，
所述检测位点采用纳米粒子进行修饰；
所述纳米粒子包括铂黑纳米粒子、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)纳米粒子或者碳纳米管纳米粒子。
4.如权利要求1所述的皮层癫痫脑功能定位柔性微纳电极阵列，其特征在于，
所述焊盘的尺寸符合标准接口要求，用于与一后端接口电气连接。
5.如权利要求1所述的皮层癫痫脑功能定位柔性微纳电极阵列，其特征在于，
所述皮层癫痫脑功能定位柔性微纳电极阵列还包括粘附层，所述粘附层形成于所述基底层和所述导电层之间；
所述粘附层的材料包括铬或钛。
6.如权利要求1所述的皮层癫痫脑功能定位柔性微纳电极阵列，其特征在于，
所述基底层包括具有生物相容性的柔性复合层；
所述导电层的导电材料包括铬/金或钛/铂；
所述绝缘层为单一柔性材料，包括聚二甲基硅氧烷或聚对二甲苯。
7.如权利要求6所述的皮层癫痫脑功能定位柔性微纳电极阵列，其特征在于，
所述基底层的厚度为10-20μm；所述绝缘层的厚度为1-2μm。
8.一种如权利要求1至7任一项所述的皮层癫痫脑功能定位柔性微纳电极阵列的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在基底上由下至上依次形成牺牲层、基底层和金属层；所述基底层包括聚二甲基硅氧烷、聚对二甲苯形成的复合层；
采用光刻技术，在金属层上形成第一版图形化的光刻胶；
以第一版图形化的光刻胶为掩模，湿法腐蚀金属层，形成导电层；
在导电层上形成绝缘层；
采用光刻技术，在绝缘层上形成第二版图形化的光刻胶；
以第二版图形化的光刻胶为掩模，刻蚀绝缘层至使微电极阵列和焊盘裸露；
刻画微电极阵列的每个微电极的独立外形轮廓；
去除牺牲层，使基底脱离；
在所述微电极阵列的检测位点上修饰纳米粒子，得到皮层癫痫脑功能定位柔性微纳电极阵列；
所述微电极阵列包括多个检测位点；所述多个检测位点的排布范围广，可覆盖多个皮层脑区；多个检测位点以矩阵形式排布；所述检测位点的位点直径包括1μm～50μm；所述检测位点的排布范围包括：宽度为0.3cm～0.5cm；长度为0.3cm～1cm；相邻两个检测位点之间的间隔为100μm～200μm；
所述检测位点包括128个；
所述检测位点阵列分8行排布，每行均匀分布16个；
相邻两行之间的间隔为900μm；每行中相邻两个检测位点之间的间隔为200μm；
所述焊盘的背面贴附聚酰亚胺片，用于满足插入后端接口时的硬度和厚度。
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