CN112370064B - 夹持模具、利用超声振动辅助电极植入装置及植入方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种夹持模具、利用超声振动辅助电极植入装置及植入方法，模具包括支架；所述支架上设有滑道，所述滑道沿所述支架的竖直方向布置；所述滑道设有用于固定硅基神经探针的滑块，所述滑块能沿所述滑道的方向滑动；所述支架上设有驱动部件，所述驱动部件与所述滑块连接，并位于所述滑块上方，通过转动所述驱动部件向下运动驱动所述滑块向下移动，从而能带动硅基神经探针向下移动，使所述硅基神经探针精确的植入到目标脑区。本发明通过超声振动减少植入过程的阻力，提高微细硅针电极的刚度从而提高植入成功率；同时在长期慢性植入后，通过超声振动可以改善电极点因血脑屏障而引起记录失效的问题。

Description

夹持模具、利用超声振动辅助电极植入装置及植入方法

技术领域

本发明涉及脑机接口器件领域，具体地，涉及一种夹持模具及其制备方法、一种辅助植入装置及利用超声振动提高神经探针刚度从而辅助脑机接口微型传感器的体内植入方法。

背景技术

绘制大脑活动图谱，解析大脑的结构功能在一直以来都吸引着无数科研工作者的注意力，因为这项研究有望改善神经疾病的治疗，促进类脑科学和人工智能领域的快速发展。大脑的结构纷繁复杂，由数量繁多的神经元，各式各样的神经递质组成。工欲善其事，必先利其器，要探索大脑的奥秘，对脑机接口的器件可靠，高效和多功能性就需要提出更高的要求。硅基神经探针是微机电系统工艺成熟后兴起的脑机接口器件，它具有植入损伤小，植入区域深，多功能性，设计定制化等一系列优势。

硅基神经探针具备植入损伤小，植入区域深的优势依赖于其前端的探针设计成细长条型，一般规模为长5-10mm；宽50-150μm；厚20-50μm。该细长条型设计的神经探针刚度较低，在动物体内植入过程中碰到较大的血管壁或者开颅实验残留的碎骨就容易发生断裂，断裂探针的前端掉落在开颅植入的区域，不易清理。匈牙利技术物理与材料研究所MEMS实验室的Z.Fekete在Journal of Materials Science期刊上发表“Experimental study onthe mechanical interaction between silicon neural microprobes and rat duramater during insertion”一文中着重研究了不同结构硅基神经探针在植入小鼠硬脑膜过程中机械受力分析，研究了硅基探针植入过程中断裂的情况。另一方面，硅基神经探针在长期植入脑组织后会在记录实验中，不仅能引起周围组织的炎症反应，还能诱导局部神经退化。德雷塞尔大学生物医学工程学院的Moxon教授在IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICALENGINEERING发表“Nanostructured Surface Modification of Ceramic-BasedMicroelectrodes to Enhance Biocompatibility for a Direct Brain-MachineInterface”描述了神经探针植入后星型胶质细胞包裹引起记录电极失效的原因，并且通过修饰电极点的方法改善这一现象。这些都给动物体内植入实验中带来很大的困扰，阻碍了脑科学研究的发展和神经科学的进步。因此开发一种高效可靠的辅助植入系统提高硅基神经探针植入的成功率并且改善电极慢性植入后容易失效的问题迫在眉睫。

针对现有技术的检索发现，超声振动是提高物件刚性的有效方式。张翔宇等在论文“超声振动改善深孔镗削加工质量”中证明，超声振动切削作为一种特种切削加工手段，具有降低切削力，提高系统刚性和抑制加工颤振等优势。同样的马春翔等在论文“弱刚度零件的超声波椭圆振动切削加工”中研究了超声波椭圆振动切削显著提高加工表面的光洁度和抑制震颤，增大了绝对稳定切削刚度。通过上述文献可以发现超声振动能够有效提高器件的刚度和抑制震颤，但是目前还未开发出用于脑机接口微型传感器的体内植入装置及植入方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种夹持模具及制备方法、辅助植入装置及植入方法。

本发明第一个方面提供一种夹持模具，包括：

支架；

所述支架上设有滑道，所述滑道沿所述支架的竖直方向布置；所述滑道设有用于固定硅基神经探针的滑块，所述滑块能沿所述滑道的方向滑动；

所述支架上设有驱动部件，所述驱动部件与所述滑块连接，并位于所述滑块上方，通过转动所述驱动部件向下运动驱动所述滑块向下移动，从而能带动硅基神经探针向下移动，使所述硅基神经探针精确的植入到目标脑区。

本发明第二个方面提供一种夹持模具的制备方法，所述夹持模具通过三微软件建立模型，使用树脂材料进行3D打印成型。

本发明第三个方面提供一种辅助植入装置，包括上述的夹持模具。

优选地，辅助植入装置包括：

用于提供超声振动源的超声振子模组，所述超声振子模组采用可拆卸式连接于夹持模具的顶部，所述超声振子模组与所述夹持模具位于同一竖直平面；所述超声振子模组包括：超声振子、前盖板及后盖板，其中，所述超声振子的两侧设有正极接线端子、负极接线端子，分别用于连接交变电源的正极、负极；所述前盖板设置于所述超声振子底部，所述前盖板的上表面与所述超声振子的下表面连接，所述前盖板的下表面与支架的顶部采用可拆卸式连接；所述后盖板设置于所述超声振子的上部，所述后盖板的下表面与所述超声振子的上表面连接；

固定于夹持模具滑块上的硅基神经探针，且所述硅基神经探针与所述超声振子模组位于同一个竖直平面，确保振动过程中振动能最大效率传导至所述硅基神经探针。

优选地，所述后盖板、所述超声振子、所述前盖板通过应力螺栓将三部分固定在一起。

优选地，所述前盖板为锥形结构，所述锥形结构的大端面与所述超声振子的下表面连接，所述锥形结构的小端面与所述支架的顶部通过生物相容性材料连接。

优选地，所述前盖板采用生物相容性材料固定于所述支架的顶部；

更加优选地，生物相容性材料可以采用聚乙二醇。

优选地，所述硅基神经探针采用紫外固化胶固定于所述滑块上，实现所述硅基神经探针和所述夹持模具的紧密连接。

优选地，所述夹持模具和所述硅基神经探针的总重量能按照不同的动物植入实验进行个性化设计，所述夹持模具和所述硅基神经探针总重量不超过实验动物体体重的百分之五，满足长期慢性研究实验中实验动物体的正常生理活动。

本发明第四个方面提供一种利用超声振动辅助硅基神经探针体内植入方法，采用上述的辅助植入装置进行，包括：

将硅基神经探针固定于支架的滑块上；

将超声振子模组的前盖板采用可拆卸方式固定于支架的顶部，并将超声振子的正极接线端子、负极接线端子暴露于所述超声振子模组的两侧，便于正极、负极连接交变电源起振；使所述超声振子模组与所述硅基神经探针固定在同一个竖直平面，形成一体式的辅助植入装置；

将所述辅助植入装置植入到目标脑区：

在植入过程中向超声振子的正极、负极施加交变电流源使所述超声振子起振产生超声振动，在超声振动状态下，驱动所述滑块向下移动，从而带动所述硅基神经电极向下移动，通过超声振动提高所述硅基神经电极的刚度，使所述硅基神经电极植入到体内所需的设定深度，之后停止驱动所述滑块，将所述超声振子模组从所述支架上拆除。

优选地，利用超声振动辅助硅基神经探针体内植入方法包括：在所述超声振子模组从所述支架上拆除后，经长期慢性实验后，再将所述超声振子模组重新固定于所述支架的顶部，并通过轻微超声振动去除所述硅基神经探针前端包裹的星型细胞胶质，缓解因血脑屏障引起的神经电极无法记录到神经信号的问题。

与现有技术相比，本发明具有如下至少一种的有益效果：

本发明上述夹持模具，设置支架，通过支架可分别连接超声振子模组、硅基神经探针，并可通过支架上的滑块带动硅基神经探针沿竖直方向移动，同时，确保超声振子模组、硅基神经探针处于同一竖直平面，确保超声振子振动过程中振动能最大效率传导至硅基神经探针处。

本发明上述辅助植入装置，通过超声振动减少植入过程的阻力，提高微细硅针电极的刚度从而提高植入成功率，不仅可以高效可靠地完成体内植入实验；且在长期慢性植入后，通过超声振动可以改善电极点因血脑屏障而引起记录失效的问题；与传统的植入方式对比，能显著提高植入器件的刚度，从而提高植入的成功率，降低实验成本。

本发明上述辅助植入装置，超声振子模组采用可拆卸的方式与夹持模具组装，一方面起到作用是在植入结束后可以快速从该辅助植入系统中拆卸，以减小慢性长期实验过程中动物头部的负重避免影响其正常的行为活动；另一方面，在一定植入时间后，可以将超声振子重新组装到该辅助植入系统上，加上交变电源，通过轻微的超声振动，将神经探针前端包裹的星型细胞胶质去除，缓解因血脑屏障引起的神经电极被包裹无法记录到神经信号的问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一优选实施例的夹持模具的结构示意图；

图2为本发明一优选实施例的辅助植入装置的结构示意图；

图3为本发明一优选实施例的辅助植入装置结构侧面示意图；

图4为本发明一优选实施例的双模工作硅基神经探针的平面示意图；

图5为本发明一优选实施例的利用超声振动辅助硅基身体探针植入小鼠体内进行慢性实验的流程示意图；

图中标记分别表示为：1为后盖板、2为超声振子、3为正极接线端子、4为前盖板、5为螺丝、6为支架、7为螺帽、8为滑块、9为硅基神经探针、10为铆钉、11为负极接线端子、901为硅基神经探针封装焊盘、902为硅基神经探针基部、903为细微型探针结构、904为第一电刺激电极点、905为电生理信号记录四电极阵列、906为第二电刺激电极点。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图1所示，为本发明一优选实施例的夹持模具的结构示意图，图中包括支架；

在支架上设有滑道和驱动部件，滑道沿支架的竖直方向布置；滑道设有用于固定硅基神经探针的滑块，滑块能沿滑道的方向滑动；驱动部件与滑块连接，并位于滑块上方，通过转动驱动部件向下运动驱动滑块向下移动，从而能带动硅基神经探针向下移动，使硅基神经探针精确的植入到目标脑区。

作为一优选方式，支架6为中空的四边形框架，四边形框架的中空用于安装硅基神经探针9，四边形框架的底边开设有用于通过硅基神经探针9的探针的通孔，该通孔的直径大于细微型探针的外径。

在其他优选实施例中，上述夹持模具的滑道可以采用铆钉10，铆钉10侧面的光滑无螺纹结构为滑块竖直方向提供一条阻力很小的滑动通道。在四边形框架的上下相对的两个短边一侧开设有上下相对的一组孔，用于固定铆钉10。将铆钉10通过在左侧开孔处使用紫外固化胶固定在四边形框架上，保证其位置固定。通过铆钉10将滑块一侧和四边形框架连接。

在其他优选实施例中，上述夹持模具的驱动部件可以采用螺丝和螺帽7配合，在四边形框架的短边另一侧及滑块另一侧对应的位置上开设有孔，通过螺丝将滑块8另一侧和四边形框架连接，通过转动螺丝驱动滑块向下移动，从而带动硅基神经探针9向下移动，使硅基神经探针9精确的植入到目标脑区。上述滑道采用表面光滑的铆钉10，使滑块的一侧可无阻力下滑，通过转动位于滑块另一侧的螺丝，使滑块8的两侧能保持同步下滑。

上述铆钉10、螺丝5、螺帽7均为不锈钢材料，具有强度高，耐腐蚀性好且表面光洁度高的优点；铆钉10、螺丝5尺寸大小与夹持模具相匹配，可以根据植入过程中的实际需求随时定制化辅助植入装置。

上述夹持模具可以采用以下方法的制备，包括：通过三微软件建立模型，使用树脂材料进行3D打印成型。可以采用低密度的树脂材料，树脂材料具有重量轻，无毒无味，热塑性好，稳定性高等优点，树脂材料适合作为辅助植入装置的优选材料。

在另一实施例中，提供一种辅助植入装置，包括上述夹持模具的结构特征。

参照图2所示，辅助植入装置还包括用于提供超声振动源的超声振子模组、硅基神经探针9，超声振子模组采用可拆卸式连接于夹持模具的顶部，超声振子模组与夹持模具位于同一竖直平面。

超声振子模组包括后盖板1、超声振子2、前盖板4、正极接线端子3和负极接线端子11，其中，前盖板4设置于超声振子2的底部，且前盖板4的上表面与超声振子2的下表面连接，前盖板4的下表面与支架的顶部采用可拆卸式连接；后盖板1设置于超声振子2的上部，后盖板1的下表面与超声振子2的上表面连接；超声振子2的两侧设有正极接线端子3、负极接线端子11，分别用于连接交变电源的正极、负极；将正极接线端子3、负极接线端子11暴露于超声振子模组的外部，便于交变电源起振。

作为一优选方式，植入过程中前盖板4采用生物相容性聚乙二醇固定于支架的顶部，植入完成后使用生理盐水冲洗溶解聚乙二醇，实现超声振子模组的可拆卸。将超声振子模组通过生物相容性聚乙二醇(PEG)固定于夹持模具顶部，可起到以下两方面作用，一方面是在植入结束后可以快速从该辅助植入系统中拆卸，以减小慢性长期实验过程中动物头部的负重避免影响其正常的行为活动；另一方面，在一定植入时间后，可以将超声振子模组重新组装到该辅助植入系统上，加上交变电源，通过轻微的超声振动，将神经探针前端包裹的星型细胞胶质去除，缓解因血脑屏障引起的神经电极被包裹无法记录到神经信号的问题。

固定于夹持模具滑块上的硅基神经探针，且硅基神经探针与超声振子模组位于同一个竖直平面，确保超声振子2振动过程中振动能最大效率传导至硅基神经探针9。在具体实施时，将硅基神经探针9的硅基神经探针基部902固定于支架的滑块8上，并将硅基神经探针9的细微型探针从支架的通孔中穿出，使硅基神经探针9固定在滑块8上。通过驱动滑块8沿支架6的竖直方向移动，从而带动硅基神经探针9沿竖直方向移动。作为一优选方式，硅基神经探针9可以采用紫外固化胶固定于滑块8上，实现硅基神经探针9和夹持模具的紧密连接。

在其他部分优选实施例中，后盖板1、超声振子2、前盖板4通过应力螺栓将三部分固定在一起。

在其他部分优选实施例中，前盖板4为锥形结构，锥形结构的大端面与超声振子的下表面连接，锥形结构的小端面与支架的顶部通过生物相容性材料连接。前盖板4设计为横截面逐渐缩小的锥形结构，实现聚能的效果。

上述硅基神经探针9为通过微机电系统(MEMS)工艺设计加工制备得到的神经电极。该神经电极可植入到大脑内部，用于各种动物的神经系统功能研究，具有多功能，如电生理信号记录，电刺激，光刺激，神经递质检测和高密度等特性，神经电极电极点数量依赖于微加工技术的水平，可以扩展至数千通道。

在具体实施时，辅助植入装置可以采用双模工作硅基神经探针9，参照图4所示，双模工作硅基神经探针9包括硅基神经探针基部902，在硅基神经探针基部902设有硅基神经探针封装焊盘901，硅基神经探针基部902下部为细微型探针结构903，细微型探针结构903的末端设有第一电刺激电极点904、第二电刺激电极点906，在第一电刺激电极点904、第二电刺激电极点906之间设有电生理信号记录四电极阵列905。

在其他部分优选实施例中，辅助植入装置的夹持模具和硅基神经探针9的总重量能按照不同的动物植入实验进行个性化设计，夹持模具和硅基神经探针9总重量不超过实验动物体体重的百分之五，从而满足长期慢性研究实验中实验动物体的正常生理活动。

本实施例还提供一种利用超声振动辅助硅基神经探针体内植入方法，包括：采用上述辅助植入装置进行，包括以下步骤：

S1：将硅基神经探针9固定于夹持模具的滑块8上，参照图2所示。

S2：将超声振子模组可拆卸式固定于夹持模具的上，使超声振子模组与硅基神经探针9固定在同一个竖直平面，形成一体式的辅助植入装置，参照图3所示。

S3：将辅助植入装置植入到目标脑区：

S3.1：在植入过程中向超声振子2的正极、负极施加交变电流源，使用超声波发生器驱动超声振子起振产生超声振动，振动传导至硅基神经探针9处，振动过程中增加细微探针的刚度。

S3.2：在超声振子2起振后，使用螺丝刀转动夹持模具右侧的螺丝(驱动部件)，随着螺丝的步进，驱动固定于滑块8的硅基神经探针9同步向下步进。

S3.3：在硅基神经探针9达到体内植入实验所需的设定深度后，停止旋转螺丝5，然后将超声振子模组从夹持模具上拆卸，以减小慢性长期实验过程中动物头部的负重避免影响其正常的行为活动。

在其他部分优选实施例中，利用超声振动辅助硅基神经探针体内植入方法包括：在超声振子模组从夹持模具上拆除后，经长期慢性实验后，将超声振子模组再次组装到夹持模具上，通过轻微超声振动，将硅基神经探针前端包裹的星型细胞胶质去除，缓解因血脑屏障引起的神经电极无法记录到神经信号的问题。

在其他部分优选实施例中，利用超声振动辅助硅基神经探针体内植入方法，将硅基神经探针固定于夹持模具滑块上，包括：将硅基神经探针通过紫外固化胶固定在滑块上。具体可以采用以下步骤，在滑块8上和硅基神经探针背部均匀涂上紫外固化胶，使用镊子将硅基神经探针嵌入到定制尺寸的滑块内，再通过紫外光照射使胶水固化，实现硅基神经探针和夹持模具的紧密连接。

在其他部分优选实施例中，利用超声振动辅助硅基神经探针体内植入方法，将超声振子可拆卸式固定于夹持模具的固定部件上，其中，在硅基神经探针固定好后，将超声振子采用可拆卸的方式安装在夹持模具的固定部件上，并将超声振子的正负两个接头暴露在夹持模具外部，便于正极、负极连接交变电源起振。

在一应用例中，将上述利用超声振动辅助硅基神经探针体内植入方法应用于进行小鼠体内植入的应用实例中，包括以下步骤(如图5所示)：

S10：将麻醉后的小鼠的头部固定在小鼠脑立体定位仪上。

S20：使用微钻在目标脑区上方进行开颅手术，暴露头部的大脑皮层。

S30：在滑块上和硅基神经探针背部均匀涂上紫外固化胶，使用镊子将硅基神经探针小心嵌入到定制尺寸的夹持模具上，再通过紫外光照射使胶水固化，实现硅基神经探针和夹持模具的紧密连接。

S40：把安装好硅基神经探针的夹持模具固定在小鼠脑定位仪的夹持设备上，并把夹持模具的位置调整到植入目标脑区的上方。

S50：将超声振子模组通过生物相容性聚乙二醇(PEG)固定于夹持模具顶部，此时超声振子的正负两个接头暴露在空气中，方便连接交变电源起振。

S60：使用超声波发生器驱动振子起振，振动传导至硅基神经探针处，振动过程中增加细微探针的刚度。

S70：当超声振子起振后，使用螺丝刀缓慢转动位于夹持模具右侧的螺丝(驱动部件)，随着螺丝的步进，驱动固定于滑块上的硅基神经探针同步向下步进；步进深度可以通过所设计的螺丝型号确定，旋转圈数和步进深度成线性关系，因此可以实现精确的植入到目标脑区。

S80：在达到体内植入实验所需的设定深度后，停止旋转螺丝，然后使用生理盐水溶解PEG，超声振子模组从夹持模具顶部取下，以减小慢性长期实验过程中动物头部的负重避免影响其正常的行为活动。

S90：使用组织凝胶和牙科水泥将开颅和电极植入周围区域封闭，固定硅基神经探针和夹持模具，进行慢性实验研究。

除了上述应用例，本发明提出的利用超声振动辅助硅基式密西根神经电极体内植入的方法还适用于大鼠，猫，或灵长类动物猴等神经科学研究中常用的动物模型，根据不同动物模型定制化本发明提出的辅助植入系统的模具规格。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质。

Claims (5)

1.一种辅助植入装置，其特征在于，包括：

夹持模具，包括支架，所述支架上设有滑道，所述滑道沿所述支架的竖直方向布置；所述滑道设有用于固定硅基神经探针的滑块，所述滑块能沿所述滑道的方向滑动；所述支架上设有驱动部件，所述驱动部件与所述滑块连接，并位于所述滑块上方，通过转动所述驱动部件向下运动驱动所述滑块向下移动，从而能带动硅基神经探针向下移动，使所述硅基神经探针精确的植入到目标脑区；

用于提供超声振动源的超声振子模组，所述超声振子模组采用可拆卸式连接于夹持模具的顶部，所述超声振子模组与所述夹持模具位于同一竖直平面；所述超声振子模组包括：超声振子、前盖板及后盖板，其中，所述超声振子的两侧设有正极接线端子、负极接线端子，分别用于连接交变电源的正极、负极；所述前盖板设置于所述超声振子底部，所述前盖板的上表面与所述超声振子的下表面连接，所述前盖板的下表面与支架的顶部采用可拆卸式连接；所述后盖板设置于所述超声振子的上部，所述后盖板的下表面与所述超声振子的上表面连接；

固定于夹持模具滑块上的硅基神经探针，且所述硅基神经探针与所述超声振子模组位于同一个竖直平面，确保振动过程中振动能最大效率传导至所述硅基神经探针；

通过所述支架分别连接超声振子模组、硅基神经探针，并通过所述支架上的滑块带动硅基神经探针沿竖直方向移动；

所述前盖板为锥形结构，所述锥形结构的大端面与所述超声振子的下表面连接，所述锥形结构的小端面与所述支架的顶部通过生物相容性材料连接。

2.根据权利要求1所述的辅助植入装置，其特征在于，所述夹持模具通过三微软件建立模型，使用树脂材料进行3D打印成型。

3.根据权利要求1所述的辅助植入装置，其特征在于，所述后盖板、所述超声振子、所述前盖板通过应力螺栓将三部分固定在一起。

4.根据权利要求1所述的辅助植入装置，其特征在于，具有以下一种或多种特征：

-所述前盖板采用生物相容性材料固定于所述支架的顶部；

-所述硅基神经探针采用紫外固化胶固定于所述滑块上，实现所述硅基神经探针和所述夹持模具的紧密连接。

5.根据权利要求1所述的辅助植入装置，其特征在于，所述夹持模具和所述硅基神经探针的总重量能按照不同的动物植入实验进行个性化设计，所述夹持模具和所述硅基神经探针总重量不超过实验动物体体重的百分之五，满足长期慢性研究实验中实验动物体的正常生理活动。

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