CN113470896A - 一种半膨胀微球囊表面集成可延展刺激电极方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半膨胀微球囊表面集成可延展刺激电极方法，首先将水溶性胶带压覆在可延展刺激电极上方，并施加均匀的压覆力；然后向微球囊中充气或注入造影剂使微球囊达到半膨胀状态，并在微球囊表面均匀刷涂黏性硅胶作为微球囊与可延展刺激电极之间的粘附材料；接下来通过水溶性胶带将刺激电极从硅片上缓慢剥离，将刺激电极贴附在涂有黏性硅胶的微球囊目标位置，然后将整个微球囊置于烘箱中烘干黏性硅胶；最后将微球囊在热水中充分浸泡，确保水溶性胶带完全溶解，刺激电极点以及环形地电极完全暴露出来。该方法能保证可延展刺激电极随微球囊膨胀或收缩同步变形，满足微球囊较高的变形拉伸要求，具有重要的实用价值和创新意义。

Description

一种半膨胀微球囊表面集成可延展刺激电极方法

技术领域

本发明属于生物医电技术领域，具体涉及一种可延展刺激电极集成方法。

背景技术

随着柔性电子器件技术发展，已有部分研究报道集成应用于面向心脏诊疗的微球囊表面的柔性器件，以实现心电监测，温度传感，压力传感，射频消融等功能。目前大多数微球囊，采用的是小变形聚氨酯材料，充放气过程弹性变形量小，放气状态主要呈瘪皱状，其表面集成的柔性器件延展变形量较小。

现有技术中，2012年韩国首尔国立大学Dae-Hyeong Kim等在PNAS,2012,109(49):19910-19915撰文“Electronic sensor and actuator webs for large-area complexgeometry cardiac mapping and therapy”，提出球囊表面集成测量电阻的蛇形导线结构触觉传感器，用于验证与组织接触程度；2015年美国MC10公司Lauren Klinker等在ExtremeMechanics Letters,2015,3:45-54撰写“Balloon catheters with integratedstretchable electronics for electrical stimulation,ablation and blood flowmonitoring”，提出球囊表面集成聚酰亚胺基底的蛇形导线结构电极，具备电刺激和射频消融等功能；2019年上海交通大学刘景全团队在IEEE Electron Device Letters,2019,40(10):1674-1677撰文“Flexible Multi-Positional Microsensors for Cryoablation Temperature Monitoring”，提出大尺寸球囊表面集成蛇形导线结构的Parylene-C基底柔性温度传感器，用于冷冻消融低温检测；2020年美国西北大学John A.Rogers团队在NatureBiomedical Engineering,2020,4(10):997-1009撰文“Catheter-integrated softmultilayer electronic arrays for multiplexed sensing and actuation duringcardiac surgery”，提出球囊表面集成蛇形导线结构的聚酰亚胺基底电极，对心内膜的电信号进行检测，并通过局部加热的方式烧蚀部分心肌组织，实现对心律不齐的治疗以及同步压力检测。以上研究虽然对器件导线进行了蛇形化结构设计，以期提高整体延展能力，然而充气状态球囊膨胀变形量小，因此对导线延展性能要求不高。

另一种微球囊采用大变形硅树脂材料(如乳胶)，充放气过程弹性变形量大，可从初始圆柱膨胀至球状并能够恢复圆柱状。2011年John A.Rogers团队在NATURE MATERIALS,2011,10(4):316-323中撰文“Materials for multifunctional balloon catheters withcapabilities in cardiac electrophysiological mapping and ablation therapy”，提出大变形硅树脂球囊导管表面集成了柔性器件，用于心外膜记录心脏电生理、触觉、温度数据和进行冷冻消融，所展示球囊最大变形量为130％，柔性器件主要集成在靠近导管的球囊下半段。所使用的岛桥结构在岛的背面沉积二氧化硅，与弹性基底依靠化学缩合反应粘合，桥即导线则呈自由活动状态，在延展状态下不受基底约束，可发生面外变形，以提供充足的延展能力。然而，该界面集成方法中，导线随球囊膨胀脱离基底，容易与组织挤压和摩擦过程中破坏失效。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种半膨胀微球囊表面集成可延展刺激电极方法，首先将水溶性胶带压覆在可延展刺激电极上方，并施加均匀的压覆力；然后向微球囊中充气或注入造影剂使微球囊达到半膨胀状态，并在微球囊表面均匀刷涂黏性硅胶作为微球囊与可延展刺激电极之间的粘附材料；接下来通过水溶性胶带将刺激电极从硅片上缓慢剥离，将刺激电极贴附在涂有黏性硅胶的微球囊目标位置，然后将整个微球囊置于烘箱中烘干黏性硅胶；最后将微球囊在热水中充分浸泡，确保水溶性胶带完全溶解，刺激电极点以及环形地电极完全暴露出来。该方法能保证可延展刺激电极随微球囊膨胀或收缩同步变形，满足微球囊较高的变形拉伸要求，具有重要的实用价值和创新意义。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：

步骤1：将水溶性胶带压覆在聚酰亚胺薄膜衬底封装金属材料的可延展刺激电极上方，并施加均匀的压覆力；

步骤2：通过与微球囊连接的支撑管向微球囊中充气或注入造影剂使微球囊达到半膨胀状态，然后在微球囊表面均匀地刷涂黏性硅胶；

步骤3：通过水溶性胶带将可延展刺激电极从硅片上剥离，再将可延展刺激电极贴附在涂有黏性硅胶的微球囊上，然后将微球囊放置在设定好参数的烘箱中烘干黏性硅胶；

步骤4：将烘干的微球囊在热水中充分浸泡，确保水溶性胶带完全溶解脱落，使可延展刺激电极全部暴露出来。

进一步地，所述可延展刺激电极包括6个刺激电极点、6个环形地电极和可延展导线；所述6个刺激电极点平均分为两组，周向间距120°分别分布于微球囊两端的金属端中间位置；所述6个环形地电极分别半包围在6个刺激电极点周围；所述刺激电极点的直径为50～200微米，环形地电极的内径为200～300微米，可延展导线的宽度为5～50微米。

进一步地，所述可延展刺激电极包含聚酰亚胺衬底层、金属导电层和聚酰亚胺封装层，通过光刻工艺获得蛇形可延展导线结构；所述金属导电层的材料为Cr/Au或Cr/Pt。

进一步地，所述水溶性胶带为3M水溶性胶带，尺寸为6mm*15mm。

进一步地，所述微球囊初始状态的尺寸为直径1.6mm，总长11mm，微球囊半膨胀状态时最大变形处直径为4mm，微球囊完全膨胀时最大变形处直径为8mm；所述微球囊的材料为乳胶或热塑性聚氨酯。

进一步地，所述黏性硅胶采用未固化低模量聚二甲基硅氧烷或低模量铂催化硅橡胶Ecoflex_gel。

进一步地，所述将微球囊放置在设定好参数的烘箱中烘干黏性硅胶时，烘箱内温度为70～80摄氏度，加热时间为1～4小时。

进一步地，所述6个刺激电极点分为两组沿周向间距120°，轴向间距10～20mm，分布于微球囊的外表面靠近顶端金属端5～10mm的位置。

进一步地，所述金属导电层的材料采用银纳米线或碳纳米管或石墨烯。

进一步地，所述聚酰亚胺衬底层和聚酰亚胺封装层能采用PDMS或Ecoflex或PU胶材料进行替换。

本发明的有益效果如下：

本发明方法通过预拉伸方式，在微球囊半膨胀状态时，将可延展刺激电极集成在微球囊表面，从而保证微球囊在最大膨胀状态时，可延展导线变形量在可延展刺激电极可承受最大变形极限内，而在微球囊在放气收缩时，可延展导线也能够同步压缩变形。另外，为提高可延展刺激电极蛇形导线相对位置精度和微球囊表面粘接可靠性，避免可延展导线面外变形严重，在集成过程中，黏性硅胶材料作为粘接材料，使用水溶性胶带将可延展刺激电极缓慢转移至刷涂有黏性硅胶材料的微球囊表面目标位置，从而有效保证了可延展刺激电极与微球囊表面粘接的可靠性。

附图说明

图1为本发明的半膨胀微球囊表面集成可延展刺激电极的集成状态示意图。

图2为本发明的半膨胀微球囊表面集成可延展刺激电极的转移集成过程示意图。

图3为本发明可延展刺激电极结构的分层结构示意图。

图4为本发明可延展刺激电极集成于初始状态微球囊的相对位置示意图。

图5为本发明可延展导线变形与对应状态微球囊示意图。

图6为本发明可延展刺激电极局部放大结构示意图。

图中：1-可延展刺激电极，2-微球囊，3-金属端，4-支撑管，5-聚酰亚胺衬底层，6-金属导电层，7-聚酰亚胺封装层，8-球囊导管，9-半膨胀微球囊表面初始导线，10-收缩后微球囊表面压缩导线，11-膨胀后微球囊表面延展导线，12-刺激电极点，13-环形地电极，14-可延展导线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明提供一种半膨胀微球囊表面集成可延展刺激电极方法，能够实现微球囊表面集成刺激电极的大延展应用场景，同时保证刺激电极与微球囊表面的高粘附性以及高可靠性。本发明方法涉及可实现大延展的微球囊和可延展刺激电极两部分，含可延展刺激电路通过水溶性胶带精准转移到可实现大延展的微球囊表面。

一种半膨胀微球囊表面集成可延展刺激电极方法，包括如下步骤：

步骤1：将水溶性胶带压覆在可延展刺激电极上方，并施加均匀的压覆力；确保水溶性胶带与刺激电极界面间的粘附力能够使刺激电极从喷涂有脱膜剂的硅片上完整剥离，确保水溶性胶带与可延展刺激电极界面间有充足的粘附力，能够使可延展刺激电极从去除牺牲层的硅片上完整剥离；；

步骤2：通过与微球囊连接的支撑管向微球囊中充气或注入造影剂使微球囊达到半膨胀状态，然后在微球囊表面均匀刷涂黏性硅胶作为微球囊与可延展刺激电极之间的粘附材料；

步骤3：通过水溶性胶带将可延展刺激电极从硅片上缓慢剥离，按照器件设计的方案再将可延展刺激电极贴附在涂有黏性硅胶的微球囊的对应位置，然后将微球囊放置在设定好参数的烘箱中烘干黏性硅胶；

步骤4：将微球囊在热水中充分浸泡，确保水溶性胶带完全溶解，刺激电极点以及环形地电极完全暴露出来。

进一步地，所述可延展刺激电极包括6个刺激电极点、6个环形地电极和可延展导线；所述6个刺激电极点平均分为两组，周向间距120°分别分布于微球囊两端的金属端中间位置；所述6个环形地电极分别半包围在6个刺激电极点周围；所述刺激电极点的直径为50～200微米，环形地电极的内径为200～300微米，可延展导线的宽度为5～50微米。

进一步地，所述可延展刺激电极包含聚酰亚胺衬底层、金属导电层和聚酰亚胺封装层，通过光刻工艺获得蛇形可延展导线结构；所述金属导电层的材料为铬或金。

进一步地，所述水溶性胶带为3M水溶性胶带，尺寸为6mm*15mm。

进一步地，所述微球囊初始状态的尺寸为直径1.6mm，总长11mm，微球囊半膨胀状态时最大变形处直径为4mm，微球囊完全膨胀时最大变形处直径为8mm；所述微球囊的材料为乳胶、热塑性聚氨酯(TPU)等延展性能优良的弹性材料。

进一步地，所述黏性硅胶采用未固化低模量聚二甲基硅氧烷(PDMS)或低模量铂催化硅橡胶Ecoflex_gel。

进一步地，所述将微球囊放置在设定好参数的烘箱中烘干黏性硅胶时，烘箱内温度为70～80摄氏度，加热时间为1～4小时。

进一步地，所述6个可延展刺激电极分为两组沿周向间距120°，轴向间距10～20mm，分布于微球囊的外表面靠近顶端金属端5～10mm的位置。

进一步地，所述金属导电层的材料采用银纳米线或碳纳米管或石墨烯。

进一步地，所述聚酰亚胺衬底层和聚酰亚胺封装层能采用PDMS或Ecoflex或PU胶材料进行替换。

具体实施例：

在本实施例中，参照图1所示，将可延展刺激电极1集成到半膨胀状态的微球囊2表面，可延展刺激电极1的整体尺寸由微球囊2半膨胀状态的尺寸决定，微球囊初始状态的尺寸是直径1.6mm，总长11mm，同时，集成后的可延展刺激电极1上的刺激电极点位于微球囊两端金属端中间位置，可延展刺激电极1的焊盘贴附于支撑管4表面，通过软排线连接电刺激器，输入刺激信号，实现高度可控的刺激过程。

参照图2所示，为本实施例集成方法，主要分为以下四步：

第一步：将水溶性胶带压覆在聚酰亚胺薄膜衬底封装金属材料的柔性可延展刺激电极上方，并施加均匀的压覆力，确保水溶性胶带与可延展刺激电极界面间有充足的粘附力，能够使可延展刺激电极从去除牺牲层的硅片上完整剥离；

这里所用到的是3M水溶性胶带，将水溶性胶带剪切成6mm×15mm的长方形，用以剥离单个可延展刺激电极，避免误粘硅片上的其他器件。剥离过程从焊盘端开始剥离，避免剥离过程中可延展导线断裂。另外，水溶性胶带由于剥离过程受力而发生弯曲，可通过外力使得其恢复平整，方便后续与微球囊表面贴附集成。

第二步：通过与微球囊连接的支撑管向微球囊中充气或注入造影剂使微球囊达到半膨胀状态，最大变形处直径为4mm，然后在微球囊表面均匀刷涂黏性硅胶，作为微球囊与可延展刺激电极之间的粘附材料；

第三步：通过水溶性胶带将可延展刺激电极从硅片上缓慢剥离，按照器件设计的方案将可延展刺激电极贴附在涂有黏性硅胶的微球囊的对应位置，然后将整个微球囊器件置于烘箱中70～80℃加热1～4小时将黏性硅胶烘干；

第四步：将微球囊器件在热水中充分浸泡、适当晃动，确保水溶性胶带完全的溶解脱落，刺激电极点以及环形地电极完全暴露出来。

参照图3所示，为传统光刻工艺制造的包含聚酰亚胺衬底层5、金属导电层6以及聚酰亚胺封装层7的电极分层示意图；聚酰亚胺衬底5，使用旋胶机旋涂聚酰亚胺(Durimide7505)光刻胶，经过前烘、光刻、显影、漂洗后，利用高温热解与固化设备在氮气环境保护下，对聚酰亚胺进行非完全亚胺化，温度250℃，60min，固化后厚度约2.5μm。使用金属多层膜磁控溅射控制系统依次溅射铬20nm、金200nm作为导电材料，然后使用干法刻蚀工艺获得金属导电层6。聚酰亚胺封装层7与聚酰亚胺衬底层5工艺流程相同，但是后烘温度设置为350℃，60min，进行完全亚胺化，聚酰亚胺封装层7固化后厚度约2.5μm。

参照图4所示，为可延展刺激电极1与初始状态的微球囊2的对应位置，当可延展刺激电极集成到微球囊时，应当保证刺激电极点位于球囊两侧金属端3的中间位置，确保电刺激位置的稳定性。

参照图5所示，为微球囊处于初始、半膨胀、完全膨胀状态时可延展导线的对应变形状态，本实施例的半膨胀微球囊表面集成可延展刺激电极方法是将可延展刺激电极借助水溶性胶带集成到半膨胀状态的微球囊(最大直径处为4mm)表面，此时，可延展导线的形态为半膨胀微球囊表面初始导线9，当微球囊收缩回初始状态时(直径为1.6mm)得到收缩后微球囊表面压缩导线10，当微球囊完全膨胀时(最大直径处为8mm)得到膨胀后微球囊表面延展导线11。

参照图6所示，为刺激电极点12、环形地电极13、以及可延展导线14的局部放大图，刺激电极点的直径为50～200微米，环形地电极的内径为200～300微米，可延展导线的宽度为5～50微米，本实施例中设计的环形地电极在电刺激时接标准零电位，从而将电刺激范围约束在弧形范围内，提高了电刺激的空间准确性。可延展导线采用同向同行的布局方式，尽可能提高可延展导线沿径向和周向的变形能力，减小了可延展刺激电极在拉伸过程中金属导电层受到的最大主应力，提高了器件的可靠性。

在另一具体实施例中，对电极位置进行变换，以实现类似的电刺激操作。6个电极点分为两组沿周向间距120°，轴向间距10～20mm，分布于微球囊的外表面靠近顶端金属端5～10mm的位置，确保在微球囊膨胀过程中刺激电极点随之发生位移，且主要位于与三叉神经组织产生主要接触的区域，从而实现对于特定区域精准集中电刺激功能。

在另一具体实施例中，采用银纳米线或碳纳米管或石墨烯等材料，对图3中的金属导电层进行替换，同时采用PDMS、Ecoflex、PU等硅胶材料，对图3中的聚酰亚胺衬底层和聚酰亚胺封装层进行替换，从材料本征角度使可延展刺激电极具备更强的延展能力。可以借助高分辨率电流体喷印设备，使用银纳米线或碳纳米管或石墨烯为导电材料，打印出设计好的导电层；同样借助高分辨率打印设备完成硅胶衬底层和硅胶封装层的加工，对打印好的导电层进行封装，使集成于半膨胀微球囊表面的可延展刺激电极具备更强的延展能力。

Claims (10)

1.一种半膨胀微球囊表面集成可延展刺激电极方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将水溶性胶带压覆在聚酰亚胺薄膜衬底封装金属材料的可延展刺激电极上方，并施加均匀的压覆力；

步骤2：通过与微球囊连接的支撑管向微球囊中充气或注入造影剂使微球囊达到半膨胀状态，然后在微球囊表面均匀地刷涂黏性硅胶；

步骤3：通过水溶性胶带将可延展刺激电极从硅片上剥离，再将可延展刺激电极贴附在涂有黏性硅胶的微球囊上，然后将微球囊放置在设定好参数的烘箱中烘干黏性硅胶；

步骤4：将烘干的微球囊在热水中充分浸泡，确保水溶性胶带完全溶解脱落，使可延展刺激电极全部暴露出来。

2.根据权利要求1所述的一种半膨胀微球囊表面集成可延展刺激电极方法，其特征在于，所述可延展刺激电极包括6个刺激电极点、6个环形地电极和可延展导线；所述6个刺激电极点平均分为两组，周向间距120°分别分布于微球囊两端的金属端中间位置；所述6个环形地电极分别半包围在6个刺激电极点周围；所述刺激电极点的直径为50～200微米，环形地电极的内径为200～300微米，可延展导线的宽度为5～50微米。

3.根据权利要求1所述的一种半膨胀微球囊表面集成可延展刺激电极方法，其特征在于，所述可延展刺激电极包含聚酰亚胺衬底层、金属导电层和聚酰亚胺封装层，通过光刻工艺获得蛇形可延展导线结构；所述金属导电层的材料为Cr/Au或Cr/Pt。

4.根据权利要求1所述的一种半膨胀微球囊表面集成可延展刺激电极方法，其特征在于，所述水溶性胶带为3M水溶性胶带，尺寸为6mm*15mm。

5.根据权利要求1所述的一种半膨胀微球囊表面集成可延展刺激电极方法，其特征在于，所述微球囊初始状态的尺寸为直径1.6mm，总长11mm，微球囊半膨胀状态时最大变形处直径为4mm，微球囊完全膨胀时最大变形处直径为8mm；所述微球囊的材料为乳胶或热塑性聚氨酯。

6.根据权利要求1所述的一种半膨胀微球囊表面集成可延展刺激电极方法，其特征在于，所述黏性硅胶采用未固化低模量聚二甲基硅氧烷或低模量铂催化硅橡胶Ecoflex_gel。

7.根据权利要求1所述的一种半膨胀微球囊表面集成可延展刺激电极方法，其特征在于，所述将微球囊放置在设定好参数的烘箱中烘干黏性硅胶时，烘箱内温度为70～80摄氏度，加热时间为1～4小时。

8.根据权利要求2所述的一种半膨胀微球囊表面集成可延展刺激电极方法，其特征在于，所述6个刺激电极点分为两组沿周向间距120°，轴向间距10～20mm，分布于微球囊的外表面靠近顶端金属端5～10mm的位置。

9.根据权利要求3所述的一种半膨胀微球囊表面集成可延展刺激电极方法，其特征在于，所述金属导电层的材料采用银纳米线或碳纳米管或石墨烯。

10.根据权利要求3所述的一种半膨胀微球囊表面集成可延展刺激电极方法，其特征在于，所述聚酰亚胺衬底层和聚酰亚胺封装层能采用PDMS或Ecoflex或PU胶材料进行替换。

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