CN113574637A - 制造用于神经假体装置的电极阵列的方法 - Google Patents

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Abstract

制造电极阵列的方法包括由第一非导电材料形成第一绝缘层；通过压力驱动挤压打印将第一导电材料沉积在第一绝缘层的一部分上方以形成第一导电层；将第二非导电材料沉积在第一导电层的一部分上方以及第一绝缘层的暴露部分上方以形成限定暴露第一导电层的一部分的间隙的第二绝缘层；以及通过压力驱动挤压打印将第二导电材料沉积在间隙中以及第一导电层的暴露部分上方以形成电连接到第一导电层的第二导电层，从而形成所述电极阵列的至少一个电极。

Description

制造用于神经假体装置的电极阵列的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年4月5日提交的美国临时申请第62/830,347号的权益，该申请通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及电极阵列，并且更具体地说，涉及一种制造用于神经假体装置的电极阵列的方法。
背景技术
神经假体装置通常用于治疗神经系统疾病和障碍，例如帕金森氏病、耳聋、癫痫、慢性疼痛、麻痹和失明。神经假体装置的一个示例是耳蜗植入物，一种植入生物体的耳蜗中的医疗装置。耳蜗植入物包括产生电信号的刺激器以及向耳蜗中的神经纤维提供电信号以改善听力的电极阵列。
已经使用多种制造技术制造电极阵列，这些技术包括微制造工艺(过程)以及某些直写打印技术。在一些情况下，电极阵列是手工制造的。微制造工艺使用材料的蒸汽和/或电沉积，并且接着可以在微制造期间使用减材技术(例如蚀刻和机加工)来创建包括迹线、电极触点、沟道等的三维(3D)特征。在一些情况下，使用减材技术形成的3D特征不能很好地被限定。此外，沉积过程往往(倾向于)使用不期望的气体，并且在微制造期间使用的材料往往更刚硬且无法承受常见的挠曲、弯曲和/或拉伸。
丝网打印是常用于生产电极阵列的另一种微制造技术。虽然丝网打印可用于打印品类繁多(大范围)的材料，但其需要使用掩模、需要与平坦基底直接接触并且在形成包括迹线、电极触点、沟道等的小型3D特征时受到限制。
喷墨打印是直写打印的一种形式并且涉及随着喷嘴移动跨越基底通过喷嘴挤出材料(例如油墨)，以在基底上形成3D特征。虽然适用于在简单平面基底上打印电子器件，但喷墨打印往往不足以用于打印弯曲电极阵列、无法以足够的分辨率打印小于30μm的线宽并且无法打印密集权重(重密度)材料，从而限制了待打印的金属颗粒的类型和/或含量。此外，喷墨打印往往与经常用作电极阵列中的结构和绝缘层的高粘度硅树脂和含氟聚合物不相容。因此，通常需要另一种技术来沉积高粘度材料以形成电极阵列的结构或绝缘层。
气溶胶喷射打印是直写打印的另一种形式并且涉及将材料的喷射流推进到基底上。由于气溶胶喷射打印是一种基于空气动力学流的技术，因此气溶胶喷射打印可以生产小至5μm的电极阵列线宽。此外，气溶胶喷射打印机的打印头容许实现多轴旋转，从而使得能够在弯曲基底上进行打印。然而，气溶胶喷射打印往往不能打印各种非导电材料，包括绝缘和/或高粘度材料，并且往往打印不连续线，这会对电极阵列的电连续性导电特征产生不利影响。
本公开旨在解决上述问题。
发明内容
本公开提供了一种制造电极阵列的方法。该方法包括以下步骤：由第一非导电材料形成第一绝缘层，其中所述第一绝缘层具有相反的第一表面和第二表面；通过压力驱动挤压打印将第一导电材料沉积在第一绝缘层的第二表面的一部分上方(或之上)以形成具有相反的第一表面和第二表面的第一导电层，其中第一导电层的第一表面面向第一绝缘层，第一绝缘层的第二表面的另一部分保持暴露；将第二非导电材料沉积在第一导电层的第二表面的一部分上方以及第一绝缘层的第二表面的暴露部分上方以形成第二绝缘层，该第二绝缘层具有相反的第一表面和第二表面以及在第二绝缘层的第一表面和第二表面之间延伸的间隙，其中该间隙暴露第一导电层的第二表面的一部分；通过压力驱动挤压打印将第二导电材料沉积到所述间隙中以及第一导电层的第二表面的暴露部分上方以形成第二导电层，该第二导电层电连接到第一导电层以形成至少一个电极，从而形成电极阵列。
附图说明
当结合附图考虑时，由于通过参考以下详细描述可以更好地理解本发明的优点，因此本发明的优点将易于理解。
图1是生物体的听觉系统的一部分和植入生物体的耳蜗中的神经假体装置的半示意性部分横截面透视图。
图2是用于神经假体装置的电极阵列的部段的示意性透视图。
图3A至图3F是根据本公开的实施例的制造电极阵列的方法的步骤的横截面示意图。值得注意的是，电极阵列的各个材料层以及用于形成电极阵列的仪器并未按比例绘制。
图4是图3A-3F中所示的制造电极阵列的方法的可替代步骤的横截面示意图。值得注意的是，电极阵列的各个材料层以及用于形成电极阵列的仪器并未按比例绘制。
图5是制造电极阵列的方法的另一可替代步骤的横截面示意图。值得注意的是，特征或各个材料层中没有任何一个是按比例绘制的。
具体实施方式
现在参考附图，其中类似的数字标号贯穿数个视图指示类似或对应的部分，以下详细描述制造电极阵列102的方法的实施例。通过本公开的方法形成的电极阵列102可以用于治疗各种神经系统疾病和障碍的神经假体装置中。神经假体装置的非限制性示例包括深部脑刺激器、脊髓刺激器、视网膜假体、耳蜗假体等。例如，并且如图1所示，电极阵列102可用于耳蜗假体100，其为一种可植入生物体10(例如人或动物)的耳蜗12中以治疗听力损失的神经假体装置。至少部分地由于在各个材料层中存在诸如硅树脂的柔性材料，通过本公开的方法形成的电极阵列102是柔性且弹性的，并且可以容易地植入到诸如生物体10的耳蜗12的小的、弯曲的空间中。应当理解，电极阵列102可以用于任何适宜的刺激装置，不限于神经假体装置。还设想了电极阵列102在医疗装置以外的应用。
对于医疗应用，电极阵列102理想地由生物相容性材料、即对活组织友好且无害的材料形成。在本公开中，通过该方法形成的电极阵列102包括生物相容性材料，从而使得电极阵列102作为生物相容性神经假体装置。
图2是包括电极阵列102的假体100的示意图。如图1和图2所示，电极阵列102具有互连区域112以及电极区域114。互连区域112容许实现电极阵列102到外部装置(例如图1中所示的神经假体装置100的刺激器104)的电连接。电极区域114包括支撑电极阵列102的多个电极116的基底110，如图2最佳所示。虽然图2中示出了四个电极116，但应当理解，电极阵列102可以具有任意数量的电极116。例如，在耳蜗假体中，刺激器104运行以产生电信号，并且电极116运行以将电信号传送到生物体10的耳蜗12，从而治疗听力损失。刺激器104和电极阵列102通过连接器(例如馈通销)连接。连接器经由例如嵌入于基底110中的导线连接到电极阵列102的电极116。下面结合制造电极阵列102的方法的详细描述以及共同在审专利申请第__号(代理申请案号264.0002US2/Atty.Docket No.264.0002US2)识别电极阵列102的进一步细节，该共同在审专利申请的内容通过引用整体并入本文。
下面参考图3和图4描述制造电极阵列102的方法的细节。如图3A所示，该方法包括提供模具的步骤(步骤300)。该模具通常包括相对的顶部部分和底部部分，模具的底部部分200在图3A中示意性地示出。在图示的实施例中，模具的底部部分200限定出腔体201。如下所述，电极阵列102构建在模具200的腔体201内。
参考图3B，该方法包括由第一非导电材料形成第一绝缘层202的步骤，其中，所述第一绝缘层202具有相反的第一表面204和第二表面206。在一个实施例中，该形成步骤通过将第一非导电材料沉积到模具的底部部分200的腔体201中以形成第一绝缘层202来完成，其中，第一绝缘层202的第一表面204面向模具的底部部分200(步骤302)。第一绝缘层202形成图2所示的电极阵列102的基底110的一部分。
第一非导电材料是电绝缘材料并且是生物相容(性)的。在一个实施例中，第一非导电材料具有至少1x1011 ohm·m的电阻率。生物相容性非导电材料的非限制性示例包括硅树脂、含氟聚合物(例如聚四氟乙烯)、氧化物、预拉伸弹性体、聚(对二甲苯)、聚酰亚胺、聚氨酯及其组合。在特定实施例中，非导电材料是硅树脂或硅树脂的组合物。在可替代实施例中，非导电材料可以是与另一种生物相容性非导电材料组合的一种或多种硅树脂。还设想了使用除了硅树脂以外的生物相容性非导电材料作为第一导电材料。
第一绝缘层202可以具有任何适宜的厚度。例如，第一绝缘层202可以具有适于为构建电极阵列102的后续层提供支撑的厚度。在一个实施例中，第一绝缘层202具有高达约250μm(pm)的厚度。在另一实施例中，第一绝缘层202的厚度为约10至约250μm。在另一实施例中，第一绝缘层202的厚度为约10至约60μm。在又一实施例中，第一绝缘层202的厚度为约10至约40μm。
利用任何适宜的增材制造工艺或技术来沉积第一非导电材料。在一个实施例中，第一非导电材料的沉积通过打印来执行。例如，模具的底部部分200可以被转移到适宜的打印机的打印台上，并且第一非导电材料被打印到模具的底部部分200的腔体201中。在一个实施例中，第一非导电材料的沉积利用压力驱动挤压打印来完成，该压力驱动挤压打印是用于形成第一绝缘层202的直写打印的一种形式。在另一实施例中，第一非导电材料的沉积由三维打印来执行，该三维打印是一种增材制造工艺，其中，材料以单层或多层方式被沉积到模具的底部部分200的腔体201中。在一个实施例中，包括一个或多个3D特征的三维(3D)构造可以通过经由打印机的多个道次(multiple passes)连续添加第一非导电材料层来形成。
在一个实施例中，利用可从nScrypt Inc.(Orlando,FL)获得的
Figure BDA0003195619380000051
打印机来执行对第一非导电材料的打印。
Figure BDA0003195619380000052
打印机是一种压力驱动挤出打印装置，其中，第一非导电材料以液体状态通过打印机的打印喷嘴被挤出。该打印机包括限定打印喷嘴的至少一个打印头。在一个实施例中，该打印机具有第一打印头和第二打印头，其中，每个打印头均限定喷嘴。第一打印头的喷嘴被构造为挤出用于形成电极阵列102的第一绝缘层202和第二绝缘层218的一种或多种非导电材料。第二打印头的喷嘴被构造为挤出用于形成电极阵列102的如下所述的第一导电层208和第二导电层228的一种或多种导电材料。每个喷嘴均具有直径约为10至500μm的孔口。在一个实施例中，打印机的喷嘴具有约10至约125μm的孔口。此外，打印机的喷嘴可以具有任何适宜的构造。在一个实施例中，用于非导电材料的喷嘴的孔口小于用于导电材料的喷嘴的孔口。例如，用于非导电材料的喷嘴的孔口的直径可以为约75μm，并且用于导电材料的喷嘴的孔口的直径可以为约125μm。
由于硅树脂具有数小时的室温固化时间，因此打印包括硅树脂的第一非导电材料的实施例通常带来挑战。参考图4，克服这一挑战的一种方式是形成具有期望构造的非导电支撑件203，然后在支撑件203上构建电极阵列102。支撑件203由非导电材料、例如用于形成绝缘层202的第一非导电材料形成。支撑件203可以具有任何适宜的构造和尺寸并且用作电极阵列102构建于其上的平台。如下文进一步描述的那样，一旦已经构建或形成了电极阵列102，便可以从电极阵列102移除支撑件203。
支撑件203可以在构建电极阵列102时形成。例如并继续参考图4，该方法包括如下步骤：通过任何适宜的增材制造工艺沉积第一非导电材料的第一部分以形成支撑件203，以及然后通过打印将第一非导电材料的第二部分沉积在所沉积的第一部分上方以形成第一绝缘层202。在一个实施例中，也通过打印沉积第一非导电材料的第一部分以形成支撑件203。通常，第一非导电材料的第一部分大于第一非导电材料的第二部分。换言之，大体量或大部分非导电材料被沉积为形成支撑件203，并且然后非导电材料的剩余部分被沉积在第一部分上方以形成电极阵列102的第一绝缘层202。在第二部分期间，非导电材料的剩余部分的至少一层可以通过打印机的至少一个道次而打印。在一个实施例中，第一非导电材料的第一部分和第二部分的沉积(例如打印)以任何适宜的速率、例如以约10至约20mm/s的速率完成。第一非导电材料的沉积也可以在小于60psi的压力下完成。
还设想了克服打印硅树脂的挑战的其他方式，例如在打印时加热打印机以固化第一非导电材料或直接打印到模具的弯曲底部部分200的腔体201中以防止固化前的流体流动。
一旦沉积步骤302的第一部分和第二部分完成，则该方法还包括在沉积第一非导电材料的第二部分的步骤期间或之后固化第一非导电材料的第一部分和第二部分以使支撑件203和第一绝缘层202凝固的步骤。第一部分和第二部分可以同时或分别固化。固化可以利用热板或烘箱在任何适宜的固化温度下经过预定时间段而完成。对于硅树脂，固化可例如在高达约160℃的温度下达经过1至约15分钟来完成。可替代地，固化可以在打印非导电材料的第一部分和第二部分期间完成。
值得注意的是，图3B中所示的步骤302示出了其中在不形成支撑件203的情况下将电极阵列102构建在模具的底部部分200的腔体201内的实施例。在该实施例中，沉积到模具的底部部分200的腔体201中的所有第一非导电材料均用于形成第一绝缘层202。
在一个实施例中，该方法包括形成包括第一非导电材料和固化剂的非导电油墨的步骤。在一个实施例中，非导电油墨还包括溶剂(例如但不限于二甲苯、甲苯、轻石油、矿物油精、氯化烃及其组合)并且可选地包括一种或多种添加剂。在图3B所示的实施例中，形成第一绝缘层的步骤包括利用适宜的打印机(例如压力驱动挤压打印机)将非导电油墨打印到模具的底部部分200的腔体201中。在图4所示的实施例中，沉积第一非导电材料的第二部分的步骤包括通过打印将非导电油墨沉积在第一非导电材料的所沉积的第一部分上方以形成第一绝缘层202。在打印期间，利用上述压力驱动挤压打印机将非导电油墨打印到第二部段210上。
在可替代实施例中，可以利用其他增材制造工艺来完成沉积第一非导电材料以形成第一绝缘层202的步骤。
在一个实施例中，第一绝缘层202可以包括一个或多个3D特征，例如一个或多个沟道或有助于将假体手术放置或植入到生物体10中的其他结构。此外，第一绝缘层202的第二表面206可以被粗糙化，以提高对随后形成的层(例如电极阵列102的第一导电层208)的粘附。其他特征可以包括波浪形表面轮廓以增强电极阵列102拉伸的能力而不会对电极阵列102的导电特征的性能产生不利影响和/或可以预拉伸第一绝缘层202以增强电极阵列102的弹性。这些特征可以在第一非导电材料的打印期间、例如通过利用打印机的映射特征获得。
参考图3C，该方法还包括如下步骤：通过压力驱动挤压打印将第一导电材料沉积在第一绝缘层202的第二表面206的一部分210上方以形成第一导电层208，该第一导电层208具有相反的第一表面212和第二表面214，其中，第一导电层208的第一表面212面向第一绝缘层202并且第一绝缘层202的第二表面206的另一部分216保持暴露(步骤304)。在一个实施例中，第一导电材料的打印利用上述
Figure BDA0003195619380000071
打印机执行，其中，第一导电材料通过第二喷嘴打印。再次，用于第一导电材料的喷嘴的孔口大于用于打印非导电材料的喷嘴。尽管喷嘴可以具有任何适宜的构造(如前所述)，但是用于打印第一导电材料的第二喷嘴可以具有倒角(倒棱)构造。倒角喷嘴是期望的，以防止导电材料的金属颗粒聚集，从而减少浪费。
当通过具有75μm的直径的孔口的喷嘴进行打印时，打印第一导电材料以形成第一导电层208可以以约1至约50mm/s的速率完成。在另一实施例中，当通过具有75μm直径的孔口的喷嘴进行打印时，打印第一导电材料以约1至约15mm/s的速率完成。所形成的第一导电层208可以具有任何适宜的厚度。在一实施例中，第一导电层208的厚度为约10至约100μm。在另一实施例中，第一导电层208的厚度为约10至约50μm。在又一实施例中，第一导电层208的厚度为约20至约30μm。此外，打印第一导电层208可以在小于100psi的压力下完成。
在一个实施例中，沉积第一导电材料的步骤包括形成具有多个3D导电特征的第一导电层208。3D导电特征包括，例如，用于通过连接器106将电极阵列102连接到刺激器104的电极触点、迹线或互连件。表面映射可用于确定表面的台阶高度和表面粗糙度，以确保打印机的喷嘴在打印期间与表面保持一致的距离。
压力驱动挤出打印技术容许3D导电特征的精确形成。此外，压力驱动挤出打印通过消除诸如用于形成3D导电特征的各种减材制造工艺(例如蚀刻或机加工)的附加工艺步骤来减少时间和成本。压力驱动挤压打印可以重复多次，以形成导电材料的多个层，所述导电材料的多个层共同形成包括一个或多个3D导电特征的第一导电层208。
在另一实施例中，该方法包括图案化第一导电层208的第二表面214的除了暴露部分217以外的所有部分(这结合下面的步骤306和图3D进一步描述)以形成多个3D导电特征的步骤。可以利用行业中已知的任何适宜的图案化技术(例如通过使用光致抗蚀剂的剥离过程)来完成图案化。还可以采用利用一种或多种减材技术对第一导电层208的进一步处理，以进一步限定3D导电特征的构造。可替代地，可以使用诸如化学和/或物理沉积工艺的微制造技术来限定3D导电特征的构造。例如，激光蚀刻可以用于在第一导电层208中形成各个迹线。
在一个实施例中，该方法包括形成第一导电油墨的步骤，该第一导电油墨包括设置在载体(载具)中的第一导电材料。第一导电油墨的导电材料包括也是生物相容性的导电颗粒。通常，导电颗粒具有小于1x10-7 ohm·m的电阻率。导电颗粒的非限制性实例包括医用级铂颗粒、银颗粒、铜颗粒、金颗粒、铬颗粒、钛颗粒、铱颗粒、不锈钢颗粒、导电聚合物、碳纳米管及其组合。通常，颗粒具有小于1μm的有效粒径并且可以被称为纳米颗粒。在一个实施例中，颗粒具有约50nm至约1μm的有效粒径。可替代地，颗粒可具有高达约10μm的有效粒径。在一个实施例中，导电材料包括铂颗粒，并且第一导电油墨可以被称为铂油墨。在另一实施例中，通过包括不同形状、尺寸和/或浓度的铂颗粒来优化铂颗粒，以获得优异的电性能，例如电荷存储容量、阻抗等。
在一个实施例中，载体是或包括硅树脂，例如聚二甲基硅氧烷，其赋予第一导电油墨以弹性。硅树脂通常与固化剂一起使用。在另一实施例中，载体还包括硅氧烷并且可选地包括一种或多种传统溶剂(例如甲苯、庚烷等)。硅氧烷用于降低第一导电油墨的粘度，并且与传统溶剂相比，其趋向于缓慢蒸发，从而在打印期间保持油墨一致性。用于第一导电油墨的适宜硅氧烷的非限制性示例包括环硅氧烷(例如六甲基环三硅氧烷、八甲基环四硅氧烷等)以及线性硅氧烷(例如六甲基二硅氧烷、八甲基三硅氧烷等)。一种或多种添加剂(例如表面活性剂等)也可用于第一导电油墨中。
第一导电油墨通过将导电材料、硅树脂、硅氧烷以及可选的一种或多种添加剂组合而形成。例如，可以通过利用超声处理(声波破碎)、行星式离心混合、辊对辊研磨等将导电材料、硅树脂和硅氧烷(以及添加剂)混合来完成组合。还设想了本领域已知的组合第一导电油墨的组分的其他方法。一旦形成第一导电油墨，则沉积第一导电材料的步骤进一步被限定为将第一导电油墨沉积在第一绝缘层202的第二表面206的一部分210上方。此外，固化第一导电油墨，这可以在打印期间或在打印后使用烘箱等完成。
在一个实施例中，可以在打印期间控制3D导电特征的形成。控制3D导电特征的形成的一种方式是控制打印机的设置和/或可用性。例如，第一导电材料的沉积利用打印机形成并且包括利用打印机的多个道过、变化速度、变化压力或其组合将第一导电材料沉积到第一绝缘层202的第二表面206上以形成第一导电层208的步骤，其中所述第一导电层208具有限定多个3D导电特征的多个厚度。例如，将形成电极触点的位置处的3D导电特征可以比其他位置处的3D导电特征(例如延伸到神经假体装置100的刺激器104的3D导电特征)更厚。另外，3D导电特征可以是波纹状的，以增强电极阵列102的柔性而不会带来导电性的显著损失。控制3D导电特征的形成的另一种方式是控制第一导电油墨的组分。例如，在沉积第一导电油墨期间，该方法包括改变第一导电油墨的颗粒密度、粘度或其组合以形成具有限定所述多个3D导电特征的所述多个厚度的第一导电层208的步骤。
参考图3D，该方法还包括将第二非导电材料沉积在第一导电层208的第二表面214的至少一个部分226上方以及第一绝缘层202的第二表面206的一个或多个暴露部分216上方以形成第二绝缘层218的步骤(步骤306)，其中该第二绝缘层218具有相反的第一表面220和第二表面222以及在第一表面220和第二表面222之间延伸的间隙224。在步骤306期间，该方法包括将第一导电层208的所述部分210嵌入在第一绝缘层202的第二表面206和第二绝缘层218的第一表面220之间。
间隙224暴露第一导电层208的第二表面214的一部分217。第二表面214的所述部分217保持未被图案化。如下所述，第二导电层228沉积在第一导电层208的第二表面214的所述部分217上以形成电极阵列102的电极116。
在一个实施例中，在步骤306期间沉积的第二非导电材料具有与在步骤302期间沉积的第一非导电材料相同的组分。另外，第二非导电材料可以使用与先前针对在步骤302中沉积第一非导电材料以形成第一绝缘层202描述的沉积技术相同的沉积技术进行沉积。所形成的第二绝缘层218可以具有任何适宜的厚度。在一个实施例中，第二绝缘层218具有高达约250μm的厚度。在另一实施例中，第二绝缘层218的厚度为约10至约250μm。在另一实施例中，第二绝缘层218的厚度为约10至约60μm。在又一实施例中，第二绝缘层218的厚度为约10至约50μm。此外，第二绝缘层218的厚度可以与第一绝缘层202的厚度相同或不同。第一绝缘层202和第二绝缘层218的组合形成基底110并且适于电绝缘电极阵列102的各种导电元件。另外，第二绝缘层218的第二表面222用作用于构建电极阵列102的附加导电元件(沿竖直方向)的支撑表面。
在一个实施例中并且参考图5，该方法包括在第一绝缘层202中形成至少一个开孔230以及在第二绝缘层218中形成至少一个开孔232的步骤。开孔202、232通常形成在电极阵列102的互连区域112中。在一个实施例中，电极阵列102还包括位于第一绝缘层202和第二绝缘层218之间的导电材料层240。层240包括连接或附接到一个或多个电极116的导电迹线和/或其他特征。因此并且在该实施例中，该方法包括在第一绝缘层202中形成至少一个开孔230、在层240中形成至少一个开孔234以及在第二绝缘层218中形成至少一个开孔232的步骤。第二绝缘层218的所述至少一个开孔232与第一绝缘层202的所述至少一个开孔230对齐(并且与层240的所述至少一个开孔234对齐)。对齐的开孔230、232(和234)适于接收神经假体装置100的刺激器106的连接器，例如馈通销。所述形成步骤利用上述用于沉积第一和第二非导电材料的打印完成。
在一个实施例中，在第一绝缘层202中形成至少一个开孔230的步骤在沉积第一非导电材料的步骤期间完成。在第二绝缘层218中形成至少一个开孔232的步骤在沉积第二非导电材料的步骤期间完成。另外，在层240中形成至少一个开孔234的步骤在沉积第一导电材料期间完成。沉积步骤利用例如如上所述的压力驱动挤压打印。可替代地，开孔230、232(和234)可以利用适宜的减材技术形成，例如通过利用适宜的戳刺或冲压工具或装置形成开孔230、232(和234)。可替代地，也可以使用用于将电极阵列102附接到刺激器104的常规技术，例如引线键合或焊接。
一旦一个或多个连接器已经被设置或插入于对齐的开孔230、232(和234)中，则导电油墨便可以被引入到开孔230、232(和234)中以形成电极阵列102和刺激器104之间的电连接。还可以添加导电油墨的附加层以进一步确保电连接。
参考图3E，该方法还包括将第二导电材料沉积到间隙224中和第一导电层208的第二表面214的暴露部分217上方以形成电连接到第一导电层208的第二导电层228的步骤(步骤308)。将第二导电材料沉积到间隙244中通过利用压力驱动挤压打印机(例如上述的
Figure BDA0003195619380000111
)的压力驱动挤压打印来完成。第二导电层228触及和/或直接接触第一导电层208以在两层208、228之间建立电连接。第二导电层228具有相反的第一表面230和第二表面232，其中第一表面230面向第一导电层208的第二表面214。
步骤308的打印过程可以通过压力驱动挤压打印机的多个道次而被重复多次，以形成第二导电材料的多个层，从而构建第二导电层228并形成电极116。如前所述，可以通过控制道次的数目、改变速度和/或改变打印机的压力来控制第二导电材料的沉积。
在一个实施例中，该方法包括形成包括设置在载体中的第二导电材料的第二导电油墨的步骤。该第二导电材料包括生物相容的导电颗粒。通常，导电颗粒具有小于1x10-7ohm·m的电阻率。导电颗粒的非限制性示例包括医用级铂颗粒、银颗粒、铜颗粒、金颗粒、铬颗粒、钛颗粒、铱颗粒、不锈钢颗粒、导电聚合物、碳纳米管及其组合。与上述第一导电油墨类似，这些颗粒的有效粒径小于1μm并且可以称为纳米颗粒。在一个实施例中，颗粒具有约50nm至约1μm的有效粒径。可替代地，颗粒可具有高达约10μm的有效粒径。在一个实施例中，第二导电材料包括铂颗粒，并且第二导电油墨可以被称为铂油墨。在另一实施例中，通过包括不同形状、尺寸和/或浓度的铂颗粒来优化铂颗粒，以获得优异的电性能，例如电荷存储容量、阻抗等。在一个实施例中，第一导电油墨的第一导电材料与第二导电油墨的第二导电材料相同。此外，第一导电材料的形状、尺寸、类型和/或浓度可以与第二导电材料的形状、尺寸、类型和/或浓度相同或不同。
在一个实施例中并且类似于第一导电油墨，第二导电油墨的载体是或包括硅树脂，例如聚二甲基硅氧烷，其赋予第二导电油墨以弹性。硅树脂通常与固化剂一起使用。在另一实施例中，载体还包括硅氧烷并且可选地包括一种或多种传统溶剂(例如甲苯、庚烷等)。硅氧烷用于降低第二导电油墨的粘度，并且与传统溶剂相比，其趋向于缓慢蒸发，从而在打印期间保持油墨一致性。用于第一导电油墨的合适硅氧烷的非限制性示例包括环硅氧烷(例如六甲基环三硅氧烷、八甲基环四硅氧烷等)和线性硅氧烷(例如六甲基二硅氧烷、八甲基三硅氧烷等)。一种或多种添加剂(例如表面活性剂等)也可用于第二导电油墨中。第二导电油墨可以以与上述针对第一导电油墨描述的方式相同的方式形成。
所得电极组件102在图3F中示出。在形成电极组件102之后，并且在一个实施例中，该方法还包括将第三非导电材料沉积在电极组件102上方的步骤。该第三非导电层用于密封和电隔离形成于电极阵列102的电极116和连接器(将设置在对齐的开孔230、232(和234)中)之间的电连接。
以上描述了步骤304至308(结合图3C至3E)，以用于形成单个电极116。附加电极可以以相同的方式形成，通常与上述电极116的形成同时形成。例如，可以沿着第一绝缘层202的第二表面206沉积(通过打印)数个第一导电层208，其中，相邻层208彼此间隔开。第一导电层208可以通过任何期望的图案沉积，例如排列成一行或多行。电极116通过根据所述图案沉积在相应第一导电层208上方的第二导电层218的沉积而形成或构建。这方面的示例在图2中示出，其中，电极116形成为单行。第二绝缘层218以与前述方式相同的方式沉积，以嵌入第一导电层208中的每一个的一个或多个相关部分中并且电隔离随后形成的各个电极116。沉积第二绝缘层218以形成数个电极116同时完成。
一旦形成电极116，便从模具中移除(取出)电极阵列102。所得电极阵列102在图3F中示出。在形成支撑件23的情况下，该方法还包括从第一基底层202的第二表面204移除支撑件203以形成电极阵列102的步骤。可以利用任何适宜的移除技术(例如剥离、激光切割、蚀刻等)移除支撑件203。
在一个实施例中，层202、208、218、228在利用打印机形成每个单独层202、208、218、228期间被独立地固化。可替代地，可以在形成各个层202、208、218、228之后固化整个电极阵列102。在该可替代实施例中，电极阵列102的固化可以利用加热板或烘箱在例如高达约160℃的温度下完成。
尽管未示出，但由绝缘层分隔的数层导电特征可以彼此上下叠置地沉积(通过打印)以产生高密度的电极触点以及多层导电特征。以此方式，可形成导电特征的网络，以最小化装置占用面积并最大化功能性。
此外，可以通过重复以上详细描述的方法来形成多个电极阵列102。例如，通过重复形成步骤(步骤302)和沉积步骤(步骤304、306和308)中的每一个来形成所述多个电极阵列102。一旦形成，则各个电极阵列102可以接着被附接到预拉伸弹性体基底。
上文详细描述的制造方法的实施例可用于形成柔性且弹性的电极阵列，使得电极阵列102可用于待植入或用于小的弯曲区域或空间中的神经假体装置。该方法有利地利用压力驱动挤出打印，是一种直写打印技术，以形成包括含有硅树脂的各个材料层的3D构造，从而形成可以挠曲、弯曲或拉动的电极阵列。压力驱动挤压打印技术还使得能够在电极阵列的一个或多个单独材料层中形成小3D特征。
通过本公开的方法形成的电极阵列102有利地是柔性且弹性的，使得电极阵列102可用于待植入或用于弯曲区域或空间中的刺激装置，例如神经假体装置。在一个实施例中，电极阵列102可拉伸高达约140％的伸长率，同时保持导电。电极阵列102的可拉伸性使用抗拉测试测量，其中，电极阵列102在37℃下浸入盐水中10天并取出，以1mm/s经受百分比(％)伸长，然后在返回至松弛状态之前保持1分钟。电极阵列102被拉伸，直到不能记录到电阻。电极阵列102还经过15度挠曲测试(其中，阵列102以2Hz围绕2毫米杆弯曲15度同时经受0.03N的力达100,000次循环)、90度弯曲测试(其中，阵列102以1mm/s围绕5毫米杆弯曲90度达10次循环)和360度扭转测试(其中，阵列102以1mm/s向前扭转360度、然后反转360度达50次循环)。至少基于这些结果，电极阵列102符合欧洲标准EN 45502第1和第2部分以及用于耳蜗植入物系统的美国国家标准ANSI/AAMI C186:2017。
此外，电极阵列102的电极116在1kHz下对于约25至约300μm的线厚表现出约30至约200mC/cm2的阴极电荷存储容量和约100至约5000′Ω的电化学阻抗谱(EIS)。与铂箔电极相比，电极116(由至少包括导电颗粒和硅树脂的第一和第二导电油墨形成)表现出更低的极化。这种更低电压电势表明可以输入更高电荷密度而不会对生物体造成组织损伤。
已经以举例说明的方式描述了本公开，并且应当理解，已经使用的术语旨在具有描述而不是限制性的词语的性质。对于本领域技术人员来说，显而易见的是，根据上述教导，本公开的许多修改和变化是可能的。因此，应当理解，可以以不同于具体描述的方式来实践本公开。

Claims (22)

1.一种制造电极阵列的方法，所述方法包括以下步骤：
由第一非导电材料形成第一绝缘层，其中所述第一绝缘层具有相反的第一表面和第二表面；
通过压力驱动挤压打印将第一导电材料沉积在所述第一绝缘层的所述第二表面的一部分上方以形成第一导电层，其中所述第一导电层具有相反的第一表面和第二表面，所述第一导电层的所述第一表面面向所述第一绝缘层，所述第一绝缘层的所述第二表面的另一部分保持暴露；
将第二非导电材料沉积在所述第一导电层的所述第二表面的一部分上方以及所述第一绝缘层的所述第二表面的暴露部分上方以形成第二绝缘层，其中所述第二绝缘层具有相反的第一表面和第二表面以及在所述第二绝缘层的所述第一表面和所述第二表面之间延伸的间隙，所述间隙暴露所述第一导电层的所述第二表面的一部分；以及
通过压力驱动挤压打印将第二导电材料沉积到所述间隙中以及所述第一导电层的所述第二表面的暴露部分上方以形成电连接至所述第一导电层的第二导电层，从而形成所述电极阵列的至少一个电极。
2.如权利要求1所述的方法，其中，沉积第一非导电材料和沉积第二非导电材料的步骤中的每一个通过打印来执行。
3.如权利要求1所述的方法，其中，沉积第一非导电材料的步骤包括以下步骤：
沉积所述第一非导电材料的第一部分以形成支撑件；以及然后
通过打印将所述第一非导电材料的第二部分沉积在所沉积的所述第一部分上方以形成所述第一绝缘层。
4.如权利要求3所述的方法，其中，沉积所述第二部分的步骤包括通过压力驱动挤压打印将所述第一非导电材料沉积在所沉积的所述第一部分上方。
5.如权利要求3所述的方法，其中，通过打印将所述第一非导电材料的第二部分沉积在所沉积的所述第一部分上方的步骤利用以约1至约50mm/s的速率且在小于100psi的压力下操作的压力驱动挤压打印机来完成。
6.如权利要求3所述的方法，还包括在沉积所述第一非导电材料的第二部分的步骤期间或之后固化所述第一非导电材料的所述第一部分和所述第二部分以使所述支撑件和所述第一绝缘层凝固的步骤。
7.如权利要求3所述的方法，其中，在沉积所述第二导电材料的步骤之后，所述方法还包括从所述电极阵列移除所述支撑件的步骤。
8.如权利要求1所述的方法，其中，沉积所述第一导电材料的步骤包括形成具有多个第一三维导电特征的所述第一导电层。
9.如权利要求1所述的方法，其中，沉积所述第一导电材料的步骤利用压力驱动挤压打印机来执行，并且包括利用所述压力驱动挤出打印机的多个道次、变化速度、变化压力或其组合将所述第一导电材料沉积到所述第一绝缘层的所述第二表面上以形成所述第一导电层的步骤，其中所述第一导电层具有限定多个第一三维导电特征的多个厚度。
10.如权利要求1所述的方法，还包括形成第一导电油墨的步骤，所述第一导电油墨包括设置在包括硅树脂的载体中的所述第一导电材料，并且沉积所述第一导电材料的步骤进一步被限定为将所述第一导电油墨沉积在所述第一绝缘层的所述第二表面的所述一部分上方以形成所述第一导电层，以及
进一步包括形成第二导电油墨的步骤，所述第二导电油墨包括设置在包括硅树脂的载体中的所述第二导电材料，并且沉积所述第二导电材料的步骤进一步被限定为将所述第二导电油墨沉积到所述间隙中以及所述第一导电层的所述第二表面的所述暴露部分上方以形成电连接至所述第一导电层的所述第二导电层，以及
其中，所述第一导电油墨的所述第一导电材料与所述第二导电油墨的所述第二导电材料相同。
11.如权利要求10所述的方法，其中，在沉积所述第一导电油墨的步骤期间，所述方法包括改变第一导电油墨的颗粒密度、粘度或其组合以形成所述第一导电层的步骤，其中所述第一导电层具有限定多个第一三维导电特征的多个厚度。
12.如权利要求10所述的方法，其中，所述第一导电材料和所述第二导电材料中的每一个选自铂颗粒、银颗粒、铜颗粒、金颗粒、铬颗粒、钛颗粒、铱颗粒、不锈钢颗粒、导电聚合物、碳纳米管及其组合。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述第一导电油墨还包括选自二甲苯、甲苯、轻石油、矿物油精、氯化烃及其组合的溶剂。
14.如权利要求1所述的方法，还包括图案化除了所述第一导电层的所述第二表面的所述暴露部分以外的所有部分以形成多个三维导电特征的步骤。
15.如权利要求14所述的方法，其中，在沉积所述第二非导电材料的步骤期间，所述方法包括将所述多个三维导电特征嵌入在所述第一绝缘层的所述第二表面和所述第二绝缘层的所述第一表面之间的步骤。
16.如权利要求1所述的方法，其中，沉积所述第一导电材料和所述第二导电材料的步骤中的每一个利用具有多个喷嘴的压力驱动挤压打印机来执行，其中，所述多个喷嘴中的一个喷嘴被构造为沉积所述第一导电材料和所述第二导电材料。
17.如权利要求16所述的方法，其中，形成所述第一绝缘层和沉积所述第二非导电材料的步骤中的每一个通过利用具有多个喷嘴的压力驱动挤压打印机的打印来执行，其中，所述多个喷嘴中的另一个喷嘴被构造为沉积所述第一非导电材料和所述第二非导电材料。
18.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：
在所述第一绝缘层中形成至少一个开孔；以及
在所述第二绝缘层中形成至少一个开孔，其中所述第二绝缘层的所述至少一个开孔与所述第一绝缘层的所述至少一个开孔对齐，
其中，对齐的开孔适于接收神经假体装置的刺激器的馈通销。
19.如权利要求18所述的方法，其中，在所述第一绝缘层中形成至少一个开孔的步骤在通过打印沉积所述第一非导电材料的步骤期间完成。
20.如权利要求18所述的方法，其中，在所述第一绝缘层中形成至少一个开孔的步骤在通过打印沉积所述第一非导电材料的步骤期间完成，并且
其中，在所述第二绝缘层中形成至少一个开孔的步骤在通过打印沉积所述第二非导电材料的步骤期间完成。
21.如权利要求1所述的方法，其中，所述电极阵列还被限定为多个电极阵列并且进一步包括重复所述形成步骤和所述沉积步骤中的每一个以形成所述多个电极阵列的步骤。
22.如权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个电极能够拉伸至高达约140％的伸长率，同时保持导电。
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