CN112546434A - 可植入的柔性微电极阵列及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可植入的柔性微电极阵列，其包括：柔性聚合物衬底，所述柔性聚合物衬底上设置有用于容纳电极的位点凹坑；设置于所述位点凹坑中电极，所述电极包括第一金属层和第二金属层；覆设于所述柔性聚合物衬底上的光滑注液多孔表面层；其中，所述光滑注液多孔表面层包括：形成在所述第二金属层表面的第一纳米锥结构、形成在所述柔性聚合物衬底表面的第二纳米锥结构以及注入到所述第一纳米锥结构和所述第二纳米锥结构的孔隙中的润滑剂。本发明还提供了一种如上所述的柔性微电极阵列的制备方法。本发明的柔性微电极阵列降低了植入电极对胶质细胞的吸附能力，通过减少星形细胞和小胶质细胞在植入电极上粘附来提高植入电极的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于生物医学工程技术领域，具体涉及一种可植入的柔性微电极阵列及其制备方法。
背景技术
神经修复装置可以恢复患者的受损伤和受病理影响的功能，如神经紊乱、感觉丧失、截肢和脊髓损伤。通过脑-机接口(BCI)设备恢复大脑的通讯和神经修复也很重要，BCI需要植入柔性微电极阵列(fMEA)来接收和传输大脑的神经电信号。
植入柔性微电极阵列的如何保持长期使用的稳定性是一个重要问题。人脑的中枢神经系统(CNS)由神经元和胶质细胞组成，神经元占据了中枢神经系统的一半，其余为胶质细胞，胶质细胞支持大脑的自然稳态以保持神经元的生物活性。当植入电极植入脑内时，血脑屏障(BBB)被破坏，并在电极植入皮质组织后出现一系列炎症反应，进一步地，血清蛋白(包括白蛋白和纤维连接蛋白)的流入激活了附近胶质细胞的炎症反应。胶质细胞由星形胶质细胞和小胶质细胞组成，它们在植入部位周围活跃，极易吸附在植入电极上，电极植入6-8周后，小胶质细胞分裂并迁移到释放促炎细胞因子的位置，最终转化为致密的胶质瘢痕(厚度几百微米)。神经元的退化是由急性和慢性炎症反应引起的，这些反应最终会阻断神经通讯通路上的血管，中枢神经系统具有中枢防御机制，在发生炎症反应时启动植入界面周围的小胶质细胞以恢复损伤，中枢神经系统也会在植入部位附近的最初几天内启动星形胶质细胞来愈合伤口。由于神经胶质瘢痕，植入电极与中枢神经组织之间的界面位置严重受损，失去电耦合，导致植入电极的记录/刺激功能严重退化，最终失效。
如何减少星形细胞和小胶质细胞在植入电极上粘附，以减少植入电极周围的瘢痕形成从而提高植入电极的稳定性是需要解决的问题。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足，本发明提供一种可植入的柔性微电极阵列及其制备方法，以降低植入电极对胶质细胞的吸附能力，通过减少星形细胞和小胶质细胞在植入电极上粘附来提高植入电极的稳定性。
为实现上述发明目的，本发明的一方面是提供了一种可植入的柔性微电极阵列，其包括：
柔性聚合物衬底，所述柔性聚合物衬底上设置有用于容纳电极的位点凹坑；
设置于所述位点凹坑中电极，所述电极包括第一金属层和第二金属层；
覆设于所述柔性聚合物衬底上的光滑注液多孔表面层；其中，
所述光滑注液多孔表面层包括：形成在所述第二金属层表面的第一纳米锥结构、形成在所述柔性聚合物衬底表面的第二纳米锥结构以及注入到所述第一纳米锥结构和所述第二纳米锥结构的孔隙中的润滑剂。
具体地，所述第一纳米锥结构和所述第二纳米锥结构的高度分别为100nm～300nm。
具体地，所述第一金属层的材料为Ti，所述第二金属层的材料为Pt，所述润滑剂为硅油。
具体地，所述第一金属层的厚度为10nm～25nm，所述第二金属层的厚度为100nm～400nm。
具体地，所述柔性聚合物衬底的厚度为5μm～15μm。
具体地，所述柔性聚合物衬底的材料为PI。
本发明还提供了一种如上所述的可植入的柔性微电极阵列的制备方法，其包括：
结合光刻工艺和溅射沉积工艺制备获得所述柔性聚合物衬底和形成在所述柔性聚合物衬底中的所述电极；
在所述柔性聚合物衬底上制备形成所述光滑注液多孔表面层，包括：通过电化学沉积工艺在所述第二金属层表面制备第一纳米锥结构，通过反应离子刻蚀工艺在所述柔性聚合物衬底表面制备第二纳米锥结构；向所述第一纳米锥结构和所述第二纳米锥结构的孔隙中注入所述润滑剂。
具体地，所述结合光刻工艺和溅射沉积工艺制备获得所述柔性聚合物衬底和所述电极的步骤包括：
在刚性基底上通过旋涂工艺制备获得第一柔性聚合物薄膜层；
在所述第一柔性聚合物薄膜层上涂覆光刻胶，通过曝光显影工艺制备形成光刻胶掩膜版；
在所述光刻胶掩膜版的遮挡下，在所述第一柔性聚合物薄膜层上依次溅射沉积所述第一金属层和所述第二金属层；
剥离所述光刻胶掩膜版，在所述第一柔性聚合物薄膜层上获得所述电极；
在所述第一柔性聚合物薄膜层上涂覆形成第二柔性聚合物薄膜层；
对所述第二柔性聚合物薄膜层进行干法刻蚀以使得所述电极暴露出；
将所述第一柔性聚合物薄膜层从所述刚性基底上剥离，制备获得包含有所述电极的柔性聚合物衬底。
具体地，所述电化学沉积工艺为三电极体系的电化学沉积工艺，其中以位于所述柔性聚合物衬底上的所述电极为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极；所述反应离子刻蚀工艺中的刻蚀气体为O2。
具体地，将所述润滑剂注入使得所述润滑剂润湿并且粘附至所述第一纳米锥结构和所述第二纳米锥结构的表面以形成稳定的液体表面，注入完成后将所述柔性聚合物衬底倾斜放置一定的时间，以去除多余的润滑剂。
本发明实施例提供的可植入的柔性微电极阵列，通过在微电极阵列的表面形成光滑注液多孔表面(slippery liquid-infused porous surface，SLIPS)，该表面降低了植入电极对胶质细胞的吸附能力，在微电极阵列植入体内后，可以减少星形细胞和小胶质细胞在植入电极上粘附，进而减少植入电极周围的胶质瘢痕的形成从而提高植入电极的稳定性。
另外，本发明实施例提供的柔性微电极阵列的制备方法工艺简单、易于实现，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例提供的柔性微电极阵列的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的柔性微电极阵列的剖面结构示意图；
图3是本发明实施例中的制备含有所述电极的柔性聚合物衬底的工艺流程的示例性图示；
图4是本发明实施例中的在柔性聚合物衬底上制备形成光滑注液多孔表面层的工艺流程的示例性图示；
图5是本发明实施例1中制备获得的Pt纳米锥结构的SEM图；
图6和图7是本发明实施例1中制备获得的电极样品的电学测试曲线图；
图8是本发明实施例1中制备获得的电极样品的氧化还原特性曲线图。
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，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
本发明实施例首先提供了一种可植入的柔性微电极阵列，参阅图1和图2，所述柔性微电极阵列包括柔性聚合物衬底1和设置在所述柔性聚合物衬底1上的多个电极2，所述柔性聚合物衬底1的边缘设置有焊盘3，所述电极2通过导线4与所述焊盘3连接。
图2是本发明实施例提供的可植入的柔性微电极阵列的剖面示意图(图中仅示例性示出了其中一个电极2)。如图2所示，所述柔性聚合物衬底1上设置有用于容纳电极2的位点凹坑11，所述电极2设置于所述位点凹坑11中，所述电极包括第一金属层21和第二金属层22，所述柔性聚合物衬底1上还设置有的光滑注液多孔表面层5，所述光滑注液多孔表面层5覆盖整个柔性聚合物衬底1的表面。
具体地，所述光滑注液多孔表面层5包括：形成在所述第二金属层22表面的第一纳米锥结构23、形成在所述柔性聚合物衬底1表面的第二纳米锥结构12以及注入到所述第一纳米锥结构23和所述第二纳米锥结构12的孔隙中的润滑剂6，所述润滑剂6润湿并且粘附至所述第一纳米锥结构23和所述第二纳米锥结构12的表面以形成稳定的液体表面。
如上所述的可植入的柔性微电极阵列，通过在微电极阵列的表面形成光滑注液多孔表面(SLIPS)，该表面降低了植入电极对胶质细胞的吸附能力，在微电极阵列植入体内后，可以减少星形细胞和小胶质细胞在植入电极上粘附，进而减少植入电极周围的胶质瘢痕的形成从而提高植入电极的稳定性。
进一步地，第一纳米锥结构23是通过电化学沉积工艺形成在第二金属层22的表面上，其材质与第二金属层22是相同的，因此，在电极2的表面形成有第一纳米锥结构23之后，增加了电极的表面积，能够有效地降低电极的阻抗，提高了柔性微电极阵列的电信号传输性能。
在优选的方案中，所述第一纳米锥结构23和所述第二纳米锥结构12的高度分别为100nm～300nm；所述光滑注液多孔表面层5的厚度取决于纳米锥结构高度，通常地，注入润滑剂6后，润滑剂6液面会稍微高出纳米锥结构以形成稳定的液体表面。
在优选的方案中，所述第一金属层21的材料为Ti，所述第二金属层22的材料为Pt，所述润滑剂6为硅油。
在优选的方案中，所述第一金属层21的厚度为10nm～25nm，所述第二金属层22的厚度为100nm～400nm。
在优选的方案中，所述柔性聚合物衬底1的厚度为5μm～15μm，所述电极2的形状和尺寸根据实际需要进行优化设定，形状例如可以圆形或正方形或长方形。
在优选的方案中，所述柔性聚合物衬底1的材料为聚酰亚胺(PI)。
本发明实施例提供了如上所述的可植入的柔性微电极阵列的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
步骤S10、结合光刻工艺和溅射沉积工艺制备获得所述柔性聚合物衬底和形成在所述柔性聚合物衬底中的所述电极。
在一个优选的方案中，参阅图3，所述步骤S10包括：
S11、如图3-(a)所示，在刚性基底100上通过旋涂工艺制备获得第一柔性聚合物薄膜层1a。所述刚性基底100例如是硅片或者玻璃。
S12、如图3-(b)所示，在所述第一柔性聚合物薄膜层1a上涂覆光刻胶，通过曝光显影工艺制备形成光刻胶掩膜版200。
S13、如图3-(b)所示，在所述光刻胶掩膜版200的遮挡下，在所述第一柔性聚合物薄膜层1a上依次溅射沉积所述第一金属层21和所述第二金属层22。
S14、如图3-(c)所示，剥离所述光刻胶掩膜版200，在所述第一柔性聚合物薄膜层1a上获得所述电极2。
S15、如图3-(d)所示，在所述第一柔性聚合物薄膜层1a上涂覆形成第二柔性聚合物薄膜层1b，所述第二柔性聚合物薄膜层1b覆盖所述第一柔性聚合物薄膜层1a的整个表面并且覆盖所述电极2。
S16、如图3-(e)所示，对所述第二柔性聚合物薄膜层1b进行干法刻蚀以使得所述电极2暴露出。第一柔性聚合物薄膜层1a和刻蚀减薄后的第二柔性聚合物薄膜层1b组成了柔性聚合物衬底1，所述柔性聚合物衬底1上设置有用于容纳电极2的位点凹坑11，所述电极2位于所述位点凹坑11中。
S17、如图3-(f)所示，将所述第一柔性聚合物薄膜层1a从所述刚性基底100上剥离，制备获得包含有所述电极2的柔性聚合物衬底1。
步骤S20、在所述柔性聚合物衬底上制备形成所述光滑注液多孔表面层。
在一个优选的方案中，参阅图4并结合图3(图中仅示例性示出了其中一个电极结构)，所述步骤S20包括：
S21、如图4-(a)和图4-(b)所示，通过电化学沉积工艺在所述第二金属层22表面制备第一纳米锥结构23。
优选地，所述电化学沉积工艺为三电极体系的电化学沉积工艺，其中以位于所述柔性聚合物衬底1上的所述电极2为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极。
S22、如图4-(c)所示，通过反应离子刻蚀(RIE)工艺在所述柔性聚合物衬底1表面制备第二纳米锥结构12。优选的方案中，所述反应离子刻蚀工艺中的刻蚀气体为O2
S23、如图4-(d)所示，向所述第一纳米锥结构23和所述第二纳米锥结构12的孔隙中注入所述润滑剂6，制备获得所述可植入的柔性微电极阵列。
具体的方案中，将所述润滑剂6注入使得所述润滑剂6润湿并且粘附至所述第一纳米锥结构23和所述第二纳米锥结构12的表面以形成稳定的液体表面，由此在柔性聚合物衬底1上制备获得所述光滑注液多孔表面层5。注入完成后将所述柔性聚合物衬底1倾斜放置一定的时间，以去除多余的润滑剂。
实施例1
本实施例中以柔性聚合物衬底的材料选择为聚酰亚胺(PI)、电极结构中的第一金属层选择为Ti、第二金属层选择为Pt、润滑剂选择为硅油对本发明的技术方案进行更加具体的说明。
参阅图3和图4，本实施例按照以下工艺步骤制备柔性微电极阵列：
(1)、在硅基底上通过旋涂工艺制备获得5μm厚的第一层PI薄膜，然后在第一层PI薄膜上制备形成光刻胶掩膜版，掩膜版图案的暴露窗口(对应为需要沉积的电极的图形)为圆形，直径为200μm。
(2)、在所述光刻胶掩膜版的遮挡下，在所述第一层PI薄膜上依次溅射沉积20nm厚的Ti金属层和100nm厚的Pt金属层，然后剥离所述光刻胶掩膜版，在所述第一层PI薄膜上获得包含Ti金属层和Pt金属层的电极图案。
(3)、在所述第一层PI薄膜上旋涂并固化形成5μm厚第二层PI薄膜，所述第二层PI薄膜覆盖所述第一层PI薄膜的整个表面并且覆盖所述电极图案。
(4)、对所述第二层PI薄膜进行干法刻蚀以使得所述电极图案暴露出。第一层PI薄膜和刻蚀减薄后的第二层PI薄膜组成了柔性聚合物衬底，第二层PI薄膜包围在电极图案的四周形成了用于容纳电极的位点凹坑，电极图案位于所述位点凹坑中。
(5)、将所述第一层PI薄膜从所述硅基底上剥离，制备获得包含有所述电极图案的PI衬底。
(6)、通过三电极体系的电化学沉积工艺在Pt金属层的表面制备形成Pt纳米锥结构。
具体地，以步骤(5)获得的包含有所述电极图案的PI衬底为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极，其中电解液包含有以下组份：10mM(NH4)2PtCl6、7.5mMPtCl4、25mM NaH2PO4以及0.425M Na2HPO4。
在进行电化学沉积工艺之前：使用丙酮溶液中清洗微电极图案的表面，并在0.5MH2SO4溶液中进行20次循环伏安扫描，扫描电压为-0.2V～+1.2V(相对于Ag/AgCl参比电极的电位)，扫描速率为100mV/s；用氮气鼓泡法对电解液进行脱气处理。
电化学沉积工艺的条件参数具体是：用计时电流法在-0.6V的恒电位下电沉积900s。
基于以上工艺，在电极图案的Pt金属层的表面制备形成Pt纳米锥结构。图5是本实施例制备获得的Pt纳米锥结构的SEM图，从图5可以获知，Pt纳米锥结构使得电极图案形成为粗糙表面并且增加了表面积。
(7)、通过反应离子刻蚀工艺在PI衬底的表面刻蚀形成PI纳米锥结构。本实施例中，反应离子刻蚀工艺中的刻蚀气体为O2，气体流速为20sccm，压力为14pa，功率为150w，刻蚀时间为10min。
(8)、在所述PI衬底上，向所述Pt纳米锥结构和所述PI纳米锥结构的孔隙中注入硅油，使得硅油润湿并且粘附至Pt纳米锥结构和PI纳米锥结构的表面以形成稳定的液体表面，即形成了光滑注液多孔表面(SLIPS)，然后将样品以60°的角度倾斜8小时，以去除多余的硅油，最终制备获得可植入的柔性微电极阵列。
以上实施例制备获得的可植入的柔性微电极阵列，通过在微电极阵列的表面形成光滑注液多孔表面，该表面降低了植入电极对胶质细胞的吸附能力，在微电极阵列植入体内后，可以减少星形细胞和小胶质细胞在植入电极上粘附，进而减少植入电极周围的胶质瘢痕的形成从而提高植入电极的稳定性
另一方面，本实施例中的Pt纳米锥结构使得电极图案形成为粗糙表面并且增加了表面积，能够有效地降低电极的阻抗，提高了柔性微电极阵列的电信号传输性能。本实施例针对以上制备工艺过程中的一些样品进行阻抗测试，测试样品包括：步骤(5)获得的电极表面为平面的样品(样品1)、步骤(6)获得的电极表面为纳米锥结构的样品(样品2)以及步骤(8)获得的最终的柔性微电极阵列样品(电极表面为纳米锥结构且覆盖了光滑注液多孔表面，样品3)。
图6和图7是本实施例样品1-3的电学测试相关的曲线图，其中，图6表征的是电极样品1-3的阻抗随频率变化的曲线，图7表征的是电极样品1-3的相位角随频率变化的曲线。
从图6的阻抗随频率变化的曲线图可以获知：在信号频率较大时，样品1的阻抗最大，样品2的阻抗最小，样品3的阻抗相比样品2有小幅度的增加但是相比于样品1也是大幅度减小。测试信号的频率为1KHz时阻抗测试结果的数据如下表1。
表1
| 测试样品 | 阻抗值(kΩ) | 相对于样品1的阻抗减少比例(％) |
| 样品1 | 20.38 | / |
| 样品2 | 3.21 | 84.24 |
| 样品3 | 4.68 | 77.03 |
从表1可以获知：电极表面为平面的样品1，阻抗值很大，不利于植入式微电极阵列对神经细胞信号的记录和刺激。样品2的电极表面为纳米锥结构，增加了表面积，因此阻抗值大幅度下降，阻抗减少比例达到84.24％。样品3，即本发明最终获得的电极结构，由于增加设置了光滑注液多孔表面，阻抗相比于样品2有小幅度的增加，但是阻抗值相比于样品1的减少了77.03％，对于用于神经细胞信号的记录和刺激还是极好的。
本实施例中进一步使用循环伏安法(CV)研究了以上样品1-3的氧化还原特性，获得如图8所示的特性曲线。从图8可以获知，本发明提供的电极结构具有良好的氧化还原特性。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种可植入的柔性微电极阵列，其特征在于，包括：
柔性聚合物衬底，所述柔性聚合物衬底上设置有用于容纳电极的位点凹坑；
设置于所述位点凹坑中电极，所述电极包括第一金属层和第二金属层；
覆设于所述柔性聚合物衬底上的光滑注液多孔表面层；其中，
所述光滑注液多孔表面层包括：形成在所述第二金属层表面的第一纳米锥结构、形成在所述柔性聚合物衬底表面的第二纳米锥结构以及注入到所述第一纳米锥结构和所述第二纳米锥结构的孔隙中的润滑剂。
2.根据权利要求1所述的可植入的柔性微电极阵列，其特征在于，所述第一纳米锥结构和所述第二纳米锥结构的高度分别为100nm～300nm。
3.根据权利要求2所述的可植入的柔性微电极阵列，其特征在于，所述第一金属层的材料为Ti，所述第二金属层的材料为Pt，所述润滑剂为硅油。
4.根据权利要求3所述的可植入的柔性微电极阵列，其特征在于，所述第一金属层的厚度为10nm～25nm，所述第二金属层的厚度为100nm～400nm。
5.根据权利要求1-4任一所述的可植入的柔性微电极阵列，其特征在于，所述柔性聚合物衬底的厚度为5μm～15μm。
6.根据权利要求5所述的可植入的柔性微电极阵列，其特征在于，所述柔性聚合物衬底的材料为PI。
7.一种如权利要求1-6任一所述的可植入的柔性微电极阵列的制备方法，其特征在于，包括：
结合光刻工艺和溅射沉积工艺制备获得所述柔性聚合物衬底和形成在所述柔性聚合物衬底中的所述电极；
在所述柔性聚合物衬底上制备形成所述光滑注液多孔表面层，包括：通过电化学沉积工艺在所述第二金属层表面制备第一纳米锥结构，通过反应离子刻蚀工艺在所述柔性聚合物衬底表面制备第二纳米锥结构；向所述第一纳米锥结构和所述第二纳米锥结构的孔隙中注入所述润滑剂。
8.根据权利7所述的可植入的柔性微电极阵列的制备方法，其特征在于，所述结合光刻工艺和溅射沉积工艺制备获得所述柔性聚合物衬底和所述电极的步骤包括：
在刚性基底上通过旋涂工艺制备获得第一柔性聚合物薄膜层；
在所述第一柔性聚合物薄膜层上涂覆光刻胶，通过曝光显影工艺制备形成光刻胶掩膜版；
在所述光刻胶掩膜版的遮挡下，在所述第一柔性聚合物薄膜层上依次溅射沉积所述第一金属层和所述第二金属层；
剥离所述光刻胶掩膜版，在所述第一柔性聚合物薄膜层上获得所述电极；
在所述第一柔性聚合物薄膜层上涂覆形成第二柔性聚合物薄膜层；
对所述第二柔性聚合物薄膜层进行干法刻蚀以使得所述电极暴露出；
将所述第一柔性聚合物薄膜层从所述刚性基底上剥离，制备获得包含有所述电极的柔性聚合物衬底。
9.根据权利7所述的可植入的柔性微电极阵列的制备方法，其特征在于，所述电化学沉积工艺为三电极体系的电化学沉积工艺，其中以位于所述柔性聚合物衬底上的所述电极为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极；所述反应离子刻蚀工艺中的刻蚀气体为O2。
10.根据权利7所述的可植入的柔性微电极阵列的制备方法，其特征在于，将所述润滑剂注入使得所述润滑剂润湿并且粘附至所述第一纳米锥结构和所述第二纳米锥结构的表面以形成稳定的液体表面，注入完成后将所述柔性聚合物衬底倾斜放置一定的时间，以去除多余的润滑剂。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114544721A (zh) * | 2022-02-24 | 2022-05-27 | 中山大学 | 柔性微纳电极传感器及其制备方法 |
| CN115736933A (zh) * | 2022-10-21 | 2023-03-07 | 河北工业大学 | 具有神经元细胞筛选功能多层复合结构的柔性颅内脑电极 |
| WO2024153047A1 (en) * | 2023-01-19 | 2024-07-25 | The Hong Kong Polytechnic University | Permeable stretchable bioelectronic devices and methods of use and fabrication thereof |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20140187666A1 (en) * | 2011-01-19 | 2014-07-03 | President And Fellows Of Harvard College | Slippery liquid-infused porous surfaces and biological applications thereof |
| KR20150058957A (ko) * | 2013-11-21 | 2015-05-29 | 주식회사 아모그린텍 | 플렉시블 전극, 그의 제조 방법 및 그를 이용한 이차 전지 |
| WO2017047912A1 (ko) * | 2015-09-16 | 2017-03-23 | 한국전기연구원 | 나노패터닝 요홈 표면을 갖는 생체이식용 금속, 금속 제조방법, 임플란트, 임플란트 제조방법, 스텐트 및 스텐트 제조방법 |
| CN109205551A (zh) * | 2018-11-01 | 2019-01-15 | 深圳先进技术研究院 | 一种锥形阵列柔性电极及其制备方法 |
| CN111920404A (zh) * | 2020-08-03 | 2020-11-13 | 南方科技大学 | 一种柔性微电极阵列及其制备方法和应用 |
-
2020
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20140187666A1 (en) * | 2011-01-19 | 2014-07-03 | President And Fellows Of Harvard College | Slippery liquid-infused porous surfaces and biological applications thereof |
| KR20150058957A (ko) * | 2013-11-21 | 2015-05-29 | 주식회사 아모그린텍 | 플렉시블 전극, 그의 제조 방법 및 그를 이용한 이차 전지 |
| WO2017047912A1 (ko) * | 2015-09-16 | 2017-03-23 | 한국전기연구원 | 나노패터닝 요홈 표면을 갖는 생체이식용 금속, 금속 제조방법, 임플란트, 임플란트 제조방법, 스텐트 및 스텐트 제조방법 |
| CN109205551A (zh) * | 2018-11-01 | 2019-01-15 | 深圳先进技术研究院 | 一种锥形阵列柔性电极及其制备方法 |
| CN111920404A (zh) * | 2020-08-03 | 2020-11-13 | 南方科技大学 | 一种柔性微电极阵列及其制备方法和应用 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114544721A (zh) * | 2022-02-24 | 2022-05-27 | 中山大学 | 柔性微纳电极传感器及其制备方法 |
| CN115736933A (zh) * | 2022-10-21 | 2023-03-07 | 河北工业大学 | 具有神经元细胞筛选功能多层复合结构的柔性颅内脑电极 |
| CN115736933B (zh) * | 2022-10-21 | 2024-09-06 | 河北工业大学 | 具有神经元细胞筛选功能多层复合结构的柔性颅内脑电极 |
| WO2024153047A1 (en) * | 2023-01-19 | 2024-07-25 | The Hong Kong Polytechnic University | Permeable stretchable bioelectronic devices and methods of use and fabrication thereof |
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