CN112675423A - 一种电刺激微电极及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电刺激微电极及制备方法，电刺激微电极包括柔性衬底、固含量大于95％的UV油墨固化后形成的凸起结构、金属薄膜、金属电极和柔性封装层。在制备时，UV油墨固化后在柔性衬底的一面形成凸起结构，在凸起结构外表面完全覆盖金属薄膜；金属电极贴合所述柔性衬底，金属电极的一端与金属薄膜直接接触，另一端连接外部供电；柔性封装层覆盖在金属电极表面，露出凸起结构外表面的金属薄膜作为刺激位点，形成本发明中的电刺激微电极结构。利用本发明中的电刺激微电极刺激神经组织时，具有很好的生物相容性，刺激位点上的电流密度分布均匀而且电极阻抗较小，能够产生很好的电刺激效果。

Description

一种电刺激微电极及制备方法

技术领域

本发明涉及电刺激器件技术领域，特别是涉及一种电刺激微电极及制备方法。

背景技术

神经电刺激微电极是一种用来干预神经活动状态的电生理器件，广泛应用于神经功能失调的临床治疗和对神经科学的基础研究。

现有的神经电刺激微电极主要有柔性平面凹槽结构和刚性三维凸起结构。柔性平面凹槽结构的神经电刺激微电极是将金属电极夹在两个绝缘层之间，其中一个绝缘层在刺激位点处开口，暴露刺激位点；但由于刺激位点与神经组织表面存在一个绝缘层的厚度差距，很难保证刺激位点与神经组织表面的接触效果，从而影响其使用性能。刚性三维凸起结构一般为具有较多棱角的金字塔形，通电后，电流主要集中在金字塔形的棱角处，导致其棱角处的电流密度与金字塔形其他位置的电流密度分布不均，电流密度分布不均的刺激位点易灼伤神经组织，易发生电化学腐蚀，进而也不能很好地保证电刺激效果；另外，金字塔形的棱角位置电流密度最大，整个电极的阻抗也很大，导致该形状的神经电刺激微电极易损坏，而且该类电极制作成本较高。

因此，如何开发出成本较低，电流密度分布均匀，阻抗较小，且对神经组织电刺激效果优良的神经电刺激微电极，是亟需解决的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种电刺激微电极及制备方法。其中，电刺激微电极的刺激位点表面积较大，且电流密度分布均匀，电极阻抗小，具有较好的电刺激效果，不易发生电化学腐蚀，也不易因刺激位点电流密度分布不均而损伤神经组织，同时也避免了电极高阻抗引起的热噪声和分压损耗。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种电刺激微电极，包括：

柔性衬底；

固含量大于95％的UV油墨固化形成的凸起结构，位于所述柔性衬底的一面；

金属薄膜，完全覆盖在所述凸起结构的外表面；

金属电极，紧贴在所述柔性衬底表面；所述金属电极的一端与所述金属薄膜直接接触，所述金属电极的另一端用于接收外部供电；

柔性封装层，用于覆盖除所述金属薄膜的其他部分，并留有使所述金属电极的另一端与外部供电连接的缺口；所述金属薄膜为所述电刺激微电极的刺激位点。

所述电刺激微电极还包括电极引线；通过医用导电胶将所述电极引线的一端与所述金属电极的另一端连接，用于利用所述电极引线向所述电刺激微电极输入电流。

所述金属薄膜为金膜。

利用磁控溅射法使所述金属薄膜完全覆盖在所述凸起结构的外表面。

将导电油墨丝网印刷在所述衬底的一面，待丝网印刷后的所述导电油墨烧结固化后制得所述金属电极。

所述磁控溅射法的溅射功率为50W或100W：溅射功率为50W时，溅射时间为100s-2000s；溅射功率为100W时，溅射时间为50s-1000s。

所述丝网印刷的丝网数目为100目-250目，所述烧结温度为130-180℃。

所述柔性衬底的材料为聚酰亚胺、聚对二甲苯、聚二甲基硅氧烷或SU-8。

所述柔性封装层的材料为聚酰亚胺、光敏性聚酰亚胺、PDMS、PHA、聚乳酸、聚已二酸/对苯二甲酸丁二脂、聚乙交脂或聚氨酯。

本发明中还介绍了一种电刺激微电极的制备方法，包括：

将金属电极印刷在柔性衬底一面；于所述柔性衬底该面上的所述金属电极旁印刷固含量大于95％的UV油墨，所述UV油墨固化后形成凸起结构；

将金属薄膜完全覆盖在所述凸起结构的外表面；

所述金属电极的一端与所述金属薄膜直接接触，所述金属电极的另一端用于接收外部供电；

利用柔性封装层覆盖除所述金属薄膜的其他部分，并留有使所述金属电极的另一端与外部供电连接的缺口；所述金属薄膜为所述电刺激微电极的刺激位点。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

1)神经组织空间分布复杂且具有一定曲率形貌，刚性电极曲率半径较大，与神经组织贴附性差，不能随神经组织灵活调控，刺激效率低、误差大。与刚性电极相比，本发明为柔性电极，作为电刺激微电极更容易贴合神经组织表面。进而，电流相同时，基于柔性衬底的电刺激微电极具有更好的电刺激效果。

2)本发明中选用金膜并完全覆盖在凸起结构的外表面。贵金属金由于抗腐蚀、生物相容性好，在进行神经组织电刺激时，金刺激位点向神经组织注入电荷，在电荷密度不超过神经组织所能承受的最大电荷密度Q_inj＝1mC/cm²时，电极向神经组织输入的电荷密度越大越好，而Au具有较高的Q_inj。所以在利用电刺激微电极刺激神经组织时，能够提升电刺激微电极对神经组织的电荷注入能力，进而提升电刺激微电极对神经组织的电刺激效果。

3)固含量大于95％的UV油墨在固化后能够形成外表面形状规则的凸起结构，基于该形状规则的凸起结构，在利用电刺激微电极刺激神经组织时，能够在刺激位点表面形成均匀分布的电流密度，相比非均匀电流密度的刺激位点，分布均匀的电流密度不易灼伤神经组织；此外，凸起结构具有更大的有效刺激面积和较小的阻抗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例2中电刺激微电极的正面剖切图；

图2为本发明实施例2中电刺激微电极的左面剖切图；

图3为本发明实施例2中电刺激微电极的右面剖切图；

图4为本发明实施例3中电刺激微电极的正面剖切图；

图5为本发明实施例3中电刺激微电极的左面剖切图；

图6为本发明实施例3中电刺激微电极的右面剖切图。

符号说明：

1-柔性衬底、2-固含量大于95％的UV油墨固化后形成的凸起结构、3-金属薄膜、4-金属电极、5-柔性封装层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如背景技术中所述，现有的神经电刺激微电极为柔性平面凹槽结构或刚性三维凸起结构，两者均具有不同程度的缺陷。

其中，柔性平面凹槽结构的神经电刺激微电极的衬底结构虽为柔性材料，相比刚性材料更易贴合神经组织表面，但该类神经电刺激微电极是将金属电极布置在两片柔性绝缘层之间，对其中一片绝缘层的刺激位点处开窗，露出刺激位点。由于该刺激位点沉陷在一片绝缘层内，导致该刺激位点很难与神经组织直接接触，进而影响电刺激效果：

试想，通入神经电刺激微电极的电流较小时，起不到好的刺激效果；为使沉陷在绝缘层内的刺激位点对神经组织产生较好的电刺激效果，又不得不在该类神经电刺激微电极中输入更大的电流，从而需要消耗更多的能源。

基于上述，现有的基于柔性平面凹槽结构的神经电刺激微电极的刺激位点与神经组织表面始终存在一定距离，刺激位点对神经组织无法达到较好电刺激效果，且为了实现较好的电刺激效果，该类神经电刺激微电极需要较多的电能。

刚性三维凸起结构的神经电刺激微电极采用刚性材料制作而成，相比上一种的柔性器件，刚性器件会很大程度损伤柔软的神经组织。该类神经电刺激微电极的刺激位点并不沉陷于一片绝缘层内而是突出于绝缘层的上表面，并在绝缘层的上表面形成具有棱角的凸起结构。

由于凸起结构的棱角位置相比其他位置更容易使电流积聚，这样电流密度分布不均匀。在利用该类神经电刺激微电极刺激神经组织时，凸起结构的棱角位置相比其他位置，其电流密度最大，进而对神经组织的电刺激程度最大，凸起结构的其他位置从棱角处向周围电流密度逐渐减小，电流密度分布不均容易灼伤神经组织。这会导致在电流不变时，该类神经电刺激微电极的刺激位点上只有凸起结构的棱角位置与神经组织紧密接触，棱角部分与神经组织接触时，整个电极有效刺激位点尺寸较小，小尺寸的刺激位点会导致电极阻抗增加，阻抗增加会导致热噪声和分压损耗成比例增加。此外，若电极阻抗较大，在电刺激时，会在神经/电极界面处产生高电压，当电压超过安全阈值时，会发生不可逆的化学反应而腐蚀电极并损伤神经组织。

综上所述，刚性三维凸起结构的神经电刺激微电极的刺激位点虽能与神经组织表面直接接触，但刚性器件容易损伤神经组织，凸起结构的棱角处电流密度分布不均匀，而且电极阻抗较大，易导致电极腐蚀并损伤神经组织。

因此，无论是柔性平面凹槽结构的神经电刺激微电极，还是刚性三维凸起结构的电刺激微电极，都不能同时实现“解决刺激位点表面电流密度分布不均的问题”、“降低电极阻抗的问题”、“提升电刺激效果”、“具有较低的制作成本”这些技术效果。

为此，本发明中提出了一种电刺激微电极的具体结构以及该种电刺激微电极的具体制备方法，能够同时实现上述技术效果，解决现有技术中存在的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1中介绍了电刺激微电极的一般结构，具体为：

该电刺激微电极包括柔性衬底1、固含量大于95％的UV油墨固化后形成的凸起结构2、金属薄膜3、金属电极4和柔性封装层5。

其中，先在柔性衬底1的一面印刷金属电极4；然后在柔性衬底1该面上的所述金属电极4的一端丝网印刷固含量大于95％的UV油墨，待UV油墨由紫外光固化后，会形成凸起结构2。该凸起结构2类似盲文印刷时的盲文凸起结构。

之后在该凸起结构2的表面覆盖一层金属薄膜3，其目的有二：一是对凸起结构2起到保护作用，二是金属薄膜3具有很好的导电性和生物相容性，与神经组织具有很好的接触效果和电刺激效果。

到此，本发明实施例1中的电刺激微电极大体结构已完成，为防止覆盖有金属薄膜3的凸起结构2以及金属电极4受到外界环境的干扰和电化学腐蚀，且为了提升电刺激微电极与神经组织的生物相容性，本发明实施例1中还在柔性衬底1该面上除金属薄膜3的其他位置覆盖了一层柔性封装层5。

金属薄膜3为本发明实施例1中电刺激微电极的刺激位点。将该刺激位点与神经组织表面接触，通电后，该电极可对与之接触的神经组织进行电刺激。

本发明在实施例2和实施例3中对电刺激微电极各部分形状和各部分的相对位置做了进一步限定，来对本发明的电刺激微电极具体塑形。但本发明中电刺激微电极各部分的形状和各部分的相对位置不仅限于实施例2和实施例3中列举的这两种情况。

实施例2：

如图1、2、3所示，三者依次是实施例2中电刺激微电极的正面剖切图、左面剖切图和右面剖切图。本实施例中选用的是两面平整的柔性衬底1，先在柔性衬底1的平整面上印刷金属电极4，再在柔性衬底1的同一平整面上印刷固含量大于95％的UV油墨，该UV油墨经紫外光固化后，在金属电极4一端形成凸起结构2。由图1、2、3可看出，由于柔性衬底1的表面平整，金属电极4和凸起结构2在同一水平面上。待形成凸起结构2后，在凸起结构2的外表面覆盖金属薄膜3，并使金属薄膜3与金属电极4的一端直接接触。

在该结构的基础上，当在柔性衬底1该面除金属薄膜3的其他位置覆盖柔性封装层5时，该柔性封装层5的厚度应大于金属电极4的厚度。

实施例3中介绍了本发明电刺激微电极的另一种结构。如图4、5、6所示，三者依次是实施例3中电刺激微电极的正面剖切图、左面剖切图和右面剖切图。如图可看出，实施例3中将柔性衬底1设计成了一面平整、另一面的一部分向内凹陷的形状。在制备电刺激微电极时，先在柔性衬底1的非平整面上印刷金属电极4，具体为印刷在非平整面的凹陷位置，然后再在柔性衬底1非平整面的非凹陷位置印刷固含量大于95％的UV油墨，待其经紫外光固化后，在金属电极4一端形成凸起结构2。

如图4、5、6可看出，该实施例中凸起结构2与凹陷位置的金属电极4未在柔性衬底1该面的同一水平面上。在利用柔性封装层5覆盖柔性衬底1该面除金属薄膜3的其他部分时，无需如实施例2中考虑金属电极4的高度；在实施例3中，只要将柔性封装层5覆盖在柔性衬底1的该面，就能保证柔性封装层5对沉积位置金属电极4的完全覆盖。进而结合图1-6也可看出，与实施例2相比，实施例3中未覆盖有柔性封装层5的金属薄膜3表面积更大，对神经组织的电刺激效果相对更好。

本发明实施例4在材料选用和具体制备工艺上对实施例1、2、3中的电刺激微电极做了具体限定。

实施例4：

本实施例中限定金属薄膜3的材料为金膜，因为金膜具有很好的生物相容性。生物相容性是指生命体组织对非活性材料产生反应的一种性能，一般指材料与宿主之间的相容性。评判材料生物相容性好坏的标准：一是材料具有很低的毒性。实施例4中选用的金膜为单质金制成的薄膜结构，单质金本身无毒，符合该条件；二是要求材料在特定的应用中能够恰当地激发机体相应的功能。实施例4中选用的金膜本身覆盖在电刺激微电极的凸起结构2外表面，其功能是作为电刺激微电极的刺激位点，对与之接触的神经组织进行电刺激。也符合具备生物相容性的第二个要求。

进而，实施例4中选用金膜作为覆盖在凸起结构2外表面的金属薄膜3材料，相比实施例1、2、3中限定的较大范围的“金属薄膜3”，具有更好的生物相容性，与神经组织表面更易直接接触，能够提升刺激位点的电刺激效果。

另外，实施例4中的柔性衬底1材料选用聚酰亚胺、聚对二甲苯、聚二甲硅氧烷或SU-8；柔性衬底1的厚度是5μm-50μm。柔性封装层5的材料选用聚酰亚胺、光敏性聚酰亚胺、PDMS、PHA、聚乳酸、聚已二酸/对苯二甲酸丁二脂、聚乙交脂或聚氨酯；柔性封装层5的厚度是5μm-75μm。上述材料均为有机高分子材料，均具有较好的生物相容性，能够间接提升电刺激微电极对神经组织的电刺激效果。

实施例4中还对实施例1-3中电刺激微电极的制备工艺做了更具体限定。

选用厚度是5μm-50μm的柔性衬底1作为电刺激微电极的基底结构。

先利用丝网印刷方式在柔性衬底1该面印刷一层金属电极4；实施例4中选用的是银电极。在印刷银电极时，将银导电油墨丝网印刷到柔性衬底1的该面，丝网目数为100目-250目，通过丝网印刷形成电极图案后，再烧结固化银导电油墨，烧结温度范围是130℃-180℃。烧结固化后形成宽度为50μm-250μm的银电极。

之后利用丝网印刷的方式在柔性衬底1该面、金属电极4一端印刷固含量大于95％的UV油墨；其中，丝网目数为100目-250目，丝网印刷后的UV油墨利用紫外光恒温固化，固化温度为18-25℃，紫外光强度为300nm-310nm，或者为360nm-390nm。

待UV油墨固化后，会在印刷位置形成底面直径范围是30μm-300μm的凸起结构2，该凸起结构2最高点距柔性衬底1该面的垂直距离是300nm-12000nm。在凸起结构2形成后，利用磁控喷溅法在凸起结构2的外表面溅射一层金膜；在溅射时，通入氩气的流速为80sccm，溅射功率为50W或100W；在凸起结构2外表面得到的金膜厚度为10nm-200nm；溅射功率为50W时，溅射时间为100s-200s，溅射功率为100W时，溅射时间为50s-1000s。

最后，在柔性衬底1该面除金属薄膜3的其他部分的表面覆盖一层5μm-75μm的柔性封装层5，进而完成了电刺激微电极的制备。

在使用本发明中的电刺激微电极时，可将其对称排列或非对称排列，例如形成4×4、6×6、7×7、8×8、9×9、10×10或11×11的阵列，利用该阵列对神经组织进行电刺激。

结合本发明实施例1-4，本发明中提出的电刺激微电极与神经组织表面具有较好的生物相容性；固含量大于95％的UV油墨固化后形成的凸起结构2外表面均匀，电流密度在其外表面分布均匀，能够解决现有技术中电流密度分布不均导致电刺激微电极易损坏和灼伤神经组织的问题；且不会出现现有技术中凸起结构3棱角位置电流密度最大、边缘位置电流密度依次减弱的情况。而且如实施例2和3所示，本发明中柔性衬底1的形状可变，可通过改变柔性衬底1的形状使柔性封装层5中柔性材料的用量改变，进而改变未覆盖柔性封装层5的金属薄膜3的面积，从而使电刺激微电极的刺激位点适用于不同的神经组织环境。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种电刺激微电极，其特征在于，包括：

柔性衬底；

固含量大于95％的UV油墨固化形成的凸起结构，位于所述柔性衬底的一面；

金属薄膜，完全覆盖在所述凸起结构的外表面；

金属电极，紧贴在所述柔性衬底表面；所述金属电极的一端与所述金属薄膜直接接触，所述金属电极的另一端用于接收外部供电；

柔性封装层，用于覆盖除所述金属薄膜的其他部分，并留有使所述金属电极的另一端与外部供电连接的缺口；所述金属薄膜为所述电刺激微电极的刺激位点。

2.根据权利要求1所述的电刺激微电极，其特征在于，所述电刺激微电极还包括电极引线；通过医用导电胶将所述电极引线的一端与所述金属电极的另一端连接，用于利用所述电极引线向所述电刺激微电极输入电流。

3.根据权利要求1所述的电刺激微电极，其特征在于，所述金属薄膜为金膜。

4.根据权利要求1或4所述的电刺激微电极，其特征在于，利用磁控溅射法使所述金属薄膜完全覆盖在所述凸起结构的外表面。

5.根据权利要求1-4任一项所述的电刺激微电极，其特征在于，将导电油墨丝网印刷在所述衬底的一面，待丝网印刷后的所述导电油墨烧结固化后制得所述金属电极。

6.根据权利要求4所述的电刺激微电极，其特征在于，所述磁控溅射法的溅射功率为50W或100W：溅射功率为50W时，溅射时间为100s-2000s；溅射功率为100W时，溅射时间为50s-1000s。

7.根据权利要求5所述的电刺激微电极，其特征在于，所述丝网印刷的丝网数目为100目-250目，所述烧结温度为130-180℃。

8.根据权利要求1-7任一项所述的电刺激微电极，其特征在于，所述柔性衬底的材料为聚酰亚胺、聚对二甲苯、聚二甲硅氧烷或SU-8。

9.根据权利要求1-7任一项所述的电刺激微电极，其特征在于，所述柔性封装层的材料为聚酰亚胺、光敏性聚酰亚胺、PDMS、PHA、聚乳酸、聚已二酸/对苯二甲酸丁二脂、聚乙交脂或聚氨酯。

10.一种电刺激微电极的制备方法，其特征在于，包括：

将金属电极印刷在柔性衬底一面；于所述柔性衬底该面上的所述金属电极旁印刷固含量大于95％的UV油墨，所述UV油墨经紫外光固化后形成凸起结构；

将金属薄膜完全覆盖在所述凸起结构的外表面；

所述金属电极的一端与所述金属薄膜直接接触，所述金属电极的另一端用于接收外部供电；

利用柔性封装层覆盖除所述金属薄膜的其他部分，并留有使所述金属电极的另一端与外部供电连接的缺口；所述金属薄膜为所述电刺激微电极的刺激位点。

Images