CN112933406A - 一种脑微器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种脑微器件及其制造方法，包括电刺激部分和细胞培养部分，所述电刺激部分包括刺激电路和刺激电极，所述刺激电极为可植入刺激电极，一部分刺激电极作为正极，另一部分刺激电极作为负极，所述刺激电路产生电流传到刺激电极，通过外界液体环境导电，将电流从正极流向负极；所述细胞培养部分包括外轮廓以及设置在所述外轮廓上表面的至少三个腔室，第一腔室用于培养干细胞，第二腔室作为出液口，第三腔室作为进液口，腔室之间通过微流控通道相连。上述脑微器件及其制造方法使得干细胞和电刺激共同作用。

Description

一种脑微器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，更具体地，涉及一种脑微器件及其制造方法。
背景技术
脑卒中就是俗称的中风。它是以局灶性神经功能缺损为共同特征的急性脑血管疾病，包括缺血性脑卒中和出血性脑卒中。严重的脑卒中可能会造成永久性神经损伤，如果医治不及时可能造成严重的并发症，甚至死亡。目前治疗脑卒中的方法主要是药物治疗和手术治疗两种。但是无论如何治疗都只能让患者的病治好，而受损的脑神经却无法恢复，所以脑卒中的致残率极高。如何使运动机能受损的病人恢复运动功能是目前急需解决的问题。
目前，对于脑卒中的后遗症目前的康复手段主要是神经发育法和神经肌肉电刺激疗法。神经发育法主要是通过日常活动中健侧肢体的使用，增加患体的运动时间，防止“习惯性废用”的形成。而神经肌肉电刺激是通过电流刺激诱发肌肉收缩，采用表皮刺激的途径来刺激肌肉收缩，以此来恢复受损肌肉的运动功能。这些复建的手段都是通过不同的手段增强突触前后激活的同步性，这种同步性的改变可以帮助神经结构变化，加快神经环路的重建，恢复受损的运动机能。但是，这些方法手段单一，电刺激控制方式单一，无法从细胞层面根本实现神经损伤功能的修复。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种干细胞和电刺激共同作用的脑微器件及其制造方法。
根据本发明的一个方面，提供一种脑微器件，包括电刺激部分和细胞培养部分，所述电刺激部分包括刺激电路和刺激电极，所述刺激电极为可植入刺激电极，一部分刺激电极作为正极，另一部分刺激电极作为负极，所述刺激电路产生电流传到刺激电极，通过外界液体环境导电，将电流从正极流向负极；所述细胞培养部分包括外轮廓以及设置在所述外轮廓上表面的至少三个腔室，第一腔室用于培养干细胞，第二腔室作为出液口，第三腔室作为进液口，腔室之间通过微流控通道相连。
可选地，所述刺激电极呈锥形。
可选地，所述刺激电极采用外镀金属层的有机硅材质。
可选地，所述刺激电路输出双相方波。
可选地，所述刺激电路输出正负双相幅值为1V,单向脉冲持续时间为200μs，正负方波的延迟为100μs,频率为50Hz的方波。
可选地，所述细胞培养部分还包括微流控制泵，所述第二腔室和第三腔室上设置有贯通的孔，用于插入导管，所述微流控制泵与所述导管相连，控制流入第三腔室液体和流出第二腔室液体的流速。
根据本发明的另一个方面，提供一种脑微器件的制造方法，包括：
在PMMA板上进行刻蚀加工，刻蚀出与刺激电极形状对应的多个孔；
将PDMS预聚体和固化剂设定质量比例的混合液充分搅拌；
设置限制刺激电极大小的模具，将刻蚀的PMMA放入模具中；
将PDMS混合液倒入上述模具中；
将浸入PDMS混合液的PMMA板和模具放入恒温干燥箱，进行干燥，脱去PMMA板和模具，形成刺激电极；使用准分子激光器对刺激电极进行刻划分区形成正极和负极；
使用3D打印技术制作外轮廓模具，将PDMS预聚体和固化剂设定质量比例的混合液充分搅拌后注入外轮廓模具，脱模后形成外轮廓，将刺激电极插入外轮廓。
可选地，所述将PDMS预聚体和固化剂设定质量比例的混合液充分搅拌的步骤之后还包括：将搅拌后的PDMS混合液放入真空箱脱泡。
可选地，所述将PDMS混合液倒入上述模具中的步骤之后还包括：
将浸入PDMS混合液的PMMA板和模具放入真空箱抽气泡。
可选地，还包括：采用磁控溅射方法在脱去PMMA板和模具后的电极表面镀金属导电膜。
本发明所述脑微器件及其制造方法具有用于电刺激的电刺激部分和用于培养干细胞的细胞培养部分，干细胞和电刺激共同作用，加快神经元的生长和神经环路的修复，大大提高了脑卒中患者的恢复速度。另外，细胞培养部分包括微流控通道的多个腔室，刺激电极为微电极，采用基于微流控与微电极复合用来针对脑卒中患者由于脑神经受损而造成运动功能丧失进行神经元修复。
附图说明
通过参考以下具体实施方式并且结合附图，本发明的其它目的及结果将更加明白且易于理解。在附图中：
图1是本发明所述脑微器件一个实施例的构成框图；
图2a是本发明所述脑微器件一个实施例的俯视示意图；
图2b是本发明所述脑微器件一个实施例的侧视示意图；
图2c是本发明所述脑微器件一个实施例的立体示意图。
在附图中，相同的附图标记指示相似或相应的特征或功能。
具体实施方式
在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。
下面将参照附图来对根据本发明的各个实施例进行详细描述。
图1是本发明所述脑微器件的构成框图，如图1所示，所述脑微器件包括电刺激部分和细胞培养部分3，所述电刺激部分包括刺激电路1和刺激电极2，所述刺激电极为可植入刺激电极，一部分刺激电极作为正极，另一部分刺激电极作为负极，所述刺激电路产生电流传到刺激电极，通过外界液体环境导电，将电流从正极流向负极；所述细胞培养部分包括外轮廓以及设置在所述外轮廓上表面的至少三个腔室，第一腔室用于培养干细胞，第二腔室作为出液口，第三腔室作为进液口，腔室之间通过微流控通道相连。
针对脑卒中后遗症的康复，现有技术恢复周期长效果不显著的问题，提出了一种基于微流控与微电极复合的用于缩短脑卒中康复周期的脑微器件。将复合器件(脑微器件)的刺激电极植入到受损处，对受损部分的神经元和组织进行电刺激，加快神经元的生长。同时，通过微流控部分(细胞培养部分)注入神经干细胞并提供促进其生长分化的微环境。两种方式共同作用，加速受损部位的神经生长，加快形成新的神经环路，使丧失的运动机能恢复，实现对于脑卒中患者后遗症的治愈，缩短恢复周期。
本发明用电刺激修复受损的神经组织加速神经功能的恢复，同时通过微流控技术为神经元再生提供更加适宜的环境，这样效果可能会比现有的表皮刺激的电刺激方式效果更加明显(神经元的激活效果提高，恢复周期缩短等)。
图2a-2c是本发明所述脑微器件一个实施例的示意图，如图2a-2c所示，所述刺激电极2呈锥形。
目前，大多数电刺激都是采用表皮刺激的途径来刺激肌肉收缩。没有植入电极直接刺激受损的神经组织，促进神经元的再生重构神经环路。这样对刺激电极的大小、材料、性质都有很高的要求。可选地，所述刺激电极采用外镀金属层的有机硅材质。
在一个实施例中，脑微器件为长宽为2.5mm的正方形,高为2mm，由中间的锥形刺激电极部分和具有微流控通道的外轮廓。锥形刺激电极位于外轮廓的中心，呈长宽为2mm，高为2mm的正方体阵列分布。外轮廓上表面分布了16个锥形结构的刺激电极。锥形刺激电极的底面直径为0.3mm，高为0.6mm，相邻最近的两个锥形刺激电极的圆心距离为0.45mm。这样的设计会使锥形刺激电极的尖端具有更好的锥度，使电极放电更加平稳，金属结构不容易被破坏。
在一个实施例中，细胞培养部分还包括微流控制泵，所述第二腔室和第三腔室上设置有贯通的孔，用于插入导管，所述微流控制泵与所述导管相连，控制流入第三腔室液体和流出第二腔室液体的流速。通过外界液体环境导电将电流从锥形电极的正极流向负极，完成电刺激功能。同时外界的营养物质通过导管流入刺激电极2中，作用于受损的部位。
在一个实施例中，具有微流控通道的外轮廓的是一个方框形状的。内正方形的边长为2mm，外正方形的边长为2.5mm。其上表面包含4个的腔室，腔室彼此通过微流控通道相连，其中两个对角的腔室是作为培养干细胞使用，另外两个腔室一个作为出液口，一个作为进液口与外界相连。每个腔室的直径为0.2mm深为0.3mm。每个腔室都有一个贯通的孔，孔的直径为0.1mm，它的作用是插入导管与外界的微流控制泵相连，控制液体流入流出和其流速。微流控通道的截面为0.1mm正方形，将四个腔室相连。
在一个实施例中，所述刺激电路输出双相方波。
可选地，刺激电路1输出正负双相幅值为1V,单向脉冲持续时间为200μs，正负方波的延迟为100μs,频率为50Hz的方波。细胞有其能承受的刺激电流强度，而1V电压的处在这个承受范围之后，效果比较好。而采用正负电荷量平衡的对称双相波可以有效放置电荷积累对细胞的损伤。200μs的脉宽满足是细胞组织兴奋的输出要求，太大脉宽则会激活神经纤维，造成过大的疼痛感。50Hz是临床种比较常用的频率，属于低频电疗法。电刺激通过导线传导到刺激电极2的金属层上。
可选地，细胞培养部分以微流控芯片的形式呈现。
本发明所述脑微流控器件在细胞培养部分通过干细胞培养，即注入神经干细胞和相应的营养物质来刺激受损部分的神经。神经干细胞可以提前注入腔室中。准备间充质干细胞和脑源性神经营养因子将它们分别注入容器中之后用带有孔的胶塞封好。将细导管一端连接微流控制泵的一个通道，另一端插进胶塞中。导管插入的位置应该在容器口附近，这样才可以用压力将液体压出。另外一个导管一端插在作为进液口的腔室，另外一端插入胶塞中并且深入到液体中。作为出液口的腔室也用导管相连，导出废液。具体地：
首先将培养基和神经元干细胞灌注在的第一腔室中。将第三腔室的进液口和第二腔室的出液口用0.1mm的导管相连。
将刺激电极植入到受损的部位，固定。
打开电刺激电路，使其输出设定的双相方波。每天4次，每次20分钟。
分别将与进液口相连的导管依次连接到装有间充质干细胞和脑源性神经营养因子容器中，每一次连接一种液体的时间均为10分钟，每天4次。进液的同时出液口也与一个带胶塞的容器相连排除废液。
上述脑微器件的制造方法包括：
在PMMA板(PMMA，聚甲基丙烯酸甲酯，又称做压克力、亚克力或有机玻璃，具有高透明度，低价格，易于机械加工等优点)上进行刻蚀加工，刻蚀出与刺激电极形状对应的多个孔；
将PDMS预聚体(PDMS，聚二甲基硅氧烷，是有机硅的一种，使用简单，同硅片之间具有良好的粘附性，而且具有良好的化学惰性等特点)和固化剂设定质量比例的混合液充分搅拌；
设置限制刺激电极大小的模具，将刻蚀的PMMA放入模具中；
将PDMS混合液倒入上述模具中；
将浸入PDMS混合液的PMMA板和模具放入恒温干燥箱，进行干燥，脱去PMMA板和模具，形成刺激电极；使用准分子激光器对刺激电极进行刻划分区形成正极和负极；
使用3D打印技术制作外轮廓模具，将PDMS预聚体和固化剂设定质量比例的混合液充分搅拌后注入外轮廓模具，脱模后形成外轮廓，将刺激电极插入外轮廓，形成具有微流控功能的电极。
在一个实施例中，所述将PDMS预聚体和固化剂设定质量比例的混合液充分搅拌步骤之后还包括：将搅拌后的PDMS混合液放入真空箱脱泡。
在一个实施例中，所述将PDMS混合液倒入上述模具中的步骤之后还包括：
将浸入PDMS混合液的PMMA板和模具放入真空箱抽气泡。
在一个实施例中，还包括：采用磁控溅射方法在脱去PMMA板和模具后的电极表面镀金属导电膜。
在一个实施例中，脑微器件的制造方法包括：
步骤一，通过准分子激光在1*1cm的PMMA上，进行刻蚀加工。刻蚀出16个符合要求的锥形孔，用超声清洗机清洗干净之后备用。准备PDMS，将PDMS预聚体和固化剂以10比1的质量比例混合在试管中，使用搅拌棒充分搅拌。将搅拌好的PDMS混合液放入真空箱抽掉气泡。之后使用提前制作好的模具将PMMA放入模具中，模具主要是为了限制刺激电极的大小。之后将PDMS从模具的上方倒入其中，将它们放入真空箱抽气泡，抽到上方无气泡之后停止，这样就能让PDMS完全浸入锥形孔内。之后放入恒温干燥箱，100℃，2小时。取出即可得到电极部分的PDMS。
步骤二，为了实现电极放电功能，需要在PDMS锥形结构上镀金属层。金导电好且不易与其他物质发生化学反应，所以选择镀金膜。使用直流磁控溅射仪镀金属膜，靶材为纯度6N的金靶材，镀膜厚度为150nm，镀膜完成后就可以具备导电功能。金属层阻值为18Ω。
步骤三，使用准分子激光器将镀好膜的刺激电极部分刻划分区。4个为一组，将16个锥形刺激电极分成四个区域，其中三个区域连接刺激电路的正极，其中一个区连接刺激电路的负极。
步骤四，使用3D打印技术制作外轮廓的模具，通过上述步骤一完成倒模，得到需要的结构。之后将之前完成的锥形刺激电极插入倒模后的步骤一的结构中，同时将金属丝也插入其中，与刺激电路的正极和负极相连。完成脑微器件的制备。
本发明所述脑微器件是一种基于微流控与微电极复合的用于提高脑卒中康复效果的脑微器件，创造性的将微流控技术融入了脑卒中后遗症的康复效果中。通过注入神经干细胞和营养物质来治疗受损组织。同时选用了适合的波形，提高了刺激的效率。通过微流控技术和电刺激技术的共同作用，充分发挥了植入的优势，大幅度的提升了康复的效果，具体为：
电刺激是选择了正负电荷相同的双相波，大大减少了细胞的电荷积累，且电刺激的脉宽和频率大大减少对细胞的不利影响，提高了刺激效果。
对于刺激电极材料采用PDMS。PDMS是一种细胞兼容性非常好的材料，并且金属层对细胞也无不良影响。并且刺激电极的体积非常小，大大减少了植入和材料的负面作用。
通过微流控将神经细胞和营养物质注入到受损处，为神经元的生长提供了更适宜的环境，大大提高了受损处的恢复速度，提高了治疗效果。
在微流控作用的同时，电刺激也能加快外来神经干细胞的分裂速率，提高细胞激活的效果，两种手段相互影响，共同作用。
尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的发明实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明的元素可以以个体形式描述或要求，但是也可以设想具有多个元素，除非明确限制为单个元素。

Claims (10)

1.一种脑微器件，其特征在于，包括电刺激部分和细胞培养部分，所述电刺激部分包括刺激电路和刺激电极，所述刺激电极为可植入刺激电极，一部分刺激电极作为正极，另一部分刺激电极作为负极，所述刺激电路产生电流传到刺激电极，通过外界液体环境导电，将电流从正极流向负极；所述细胞培养部分包括外轮廓以及设置在所述外轮廓上表面的至少三个腔室，第一腔室用于培养干细胞，第二腔室作为出液口，第三腔室作为进液口，腔室之间通过微流控通道相连。
2.根据权利要求1所述的脑微器件，其特征在于，所述刺激电极呈锥形。
3.根据权利要求1所述的脑微器件，其特征在于，所述刺激电极采用外镀金属层的有机硅材质。
4.根据权利要求1所述的脑微器件，其特征在于，所述刺激电路输出双相方波。
5.根据权利要求4所述的脑微器件，其特征在于，所述刺激电路输出正负双相幅值为1V,单向脉冲持续时间为200μs，正负方波的延迟为100μs,频率为50Hz的方波。
6.根据权利要求1所述的脑微器件，其特征在于，所述细胞培养部分还包括微流控制泵，所述第二腔室和第三腔室上设置有贯通的孔，用于插入导管，所述微流控制泵与所述导管相连，控制流入第三腔室液体和流出第二腔室液体的流速。
7.一种脑微器件的制造方法，其特征在于，包括：
在PMMA板上进行刻蚀加工，刻蚀出与刺激电极形状对应的多个孔；
将PDMS预聚体和固化剂设定质量比例的混合液充分搅拌；
设置限制刺激电极大小的模具，将刻蚀的PMMA放入模具中；
将PDMS混合液倒入上述模具中；
将浸入PDMS混合液的PMMA板和模具放入恒温干燥箱，进行干燥，脱去PMMA板和模具，形成刺激电极；使用准分子激光器对刺激电极进行刻划分区形成正极和负极；
使用3D打印技术制作外轮廓模具，将PDMS预聚体和固化剂设定质量比例的混合液充分搅拌后注入外轮廓模具，脱模后形成外轮廓，将刺激电极插入外轮廓。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述将PDMS预聚体和固化剂设定质量比例的混合液充分搅拌的步骤之后还包括：将搅拌后的PDMS混合液放入真空箱脱泡。
9.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述将PDMS混合液倒入上述模具中的步骤之后还包括：
将浸入PDMS混合液的PMMA板和模具放入真空箱抽气泡。
10.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，还包括：采用磁控溅射方法在脱去PMMA板和模具后的电极表面镀金属导电膜。
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