CN113616211A - 一种柔性神经电极结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及神经科学技术领域，本发明公开了一种柔性神经电极结构及其制备方法。该柔性神经电极结构包括探针结构；且该探针结构包括主干结构和支干结构；该支干结构的端部与该主干结构的侧面连接；且该主干结构与该支干结构的连接处存在预设夹角a，0<a<180°；该主干结构和该支干结构上均设有记录电极，用于采集脑部神经信号，从而扩大了探针结构检测的范围。

Description

一种柔性神经电极结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及神经科学技术领域，特别涉及一种柔性神经电极结构及其制备方法。

背景技术

植入式的柔性电极是脑机接口技术核心硬件之一，被广泛应用于神经科学相关研究；同一检测区域内，不同位置的神经元传输多种神经信号，通过MEMS工艺制造的柔性神经电极，单器件电极位点通常呈纵向分布，导致电极仅能检测平面上的神经元信号，限制了单器件在空间上对不同神经信号的记录能力；为解决上述问题，需要将数个电极组成阵列，并同时植入，以实现大范围神经信号采集。然而，同时植入多个神经电极容易导致脑组织损伤，且不便于电极后端信号通路的引出，因此需要设计新型神经电极结构以满足单器件大空间内信号检测的需求。

一般，常见的植入式柔性神经电极结构设计如图1所示，为了限制探针尺寸，电极主要沿探针纵向分布，横向间距极小，仅能检测有限空间内的神经元信号，无法采集同区域内其他位置的神经信号，限制了单个器件的应用。

发明内容

本发明要解决的是现有技术中单个器件的神经电极检测范围小的技术问题。

为解决上述技术问题，本申请在一方面公开了一种柔性神经电极结构，其包括探针结构；

该探针结构包括主干结构和支干结构；

该支干结构的端部与该主干结构的侧面连接；且该主干结构与该支干结构的连接处存在预设夹角a，0<a<180°；

该主干结构和该支干结构上均设有记录电极，用于采集脑部神经信号。

可选的，该探针结构还包括应力结构；

该应力结构位于该支干结构的端部，且靠近该主干结构；以使当该探针结构植入脑部前，该支干结构处于收缩状态，当该探针结构植入脑部后，该支干结构处于张开状态；

该应力结构为柔性材料。

可选的，该支干结构包括第一支干和第二支干；

该主干结构包括相对的第一侧和第二侧；

该第一侧与该第一支干连接；

该第二侧与该第二支干连接。

可选的，该第一支干与该第二支干以该主干结构为轴对称。

可选的，该主干结构上设有阵列排布的记录电极；

该支干的第一端部上设有记录电极；该第一端部远离该主干结构。

可选的，还包括信号引出结构；

该信号引出结构的第一端与该主干结构连接；

该信号引出结构的第二端上设有连接电极，该连接电极与处理设备连接；

该信号引出结构与该探针结构内设有与该记录电极、该连接电极连接的导线，以使该记录电极将采集到的该脑部神经信号通过该导线、该连接电极传输给处理设备。

本申请在另一方面公开了一种柔性神经电极结构的制备方法，其包括以下步骤：

获取衬底；

在该衬底上制备牺牲层；

在该牺牲层上形成柔性基底，并图形化该柔性基底；该柔性基底包括探针结构基底，该探针结构基底包括该探针结构包括主干结构和支干结构，该支干结构的端部与该主干结构的侧面连接；且该主干结构与该支干结构的连接处存在预设夹角a，0<a<180°；

在该柔性基底上制备出记录电极，得到待封装结构；该主干结构和该支干结构上均设有记录电极，用于采集脑部神经信号；

在该待封装结构上制备柔性封装层，并图形化该柔性封装，以暴露出该记录电极；

释放该牺牲层，得到该柔性神经电极结构。

可选的，该在该待封装结构上制备柔性封装层，并图形化该柔性封装，以暴露出该记录电极之后，还包括：

在该柔性封装层上制备应力结构，该应力结构位于该支干结构的端部，且靠近该主干结构；以使当该探针结构植入脑部前，该支干结构处于收缩状态，当该探针结构植入脑部后，该支干结构处于张开状态。

可选的，该应力结构的材料、该柔性基底的材料和该柔性封装层的材料相同。

可选的，该柔性基底还包括信号引出结构；该信号引出结构的第一端与该主干结构连接；

该在该柔性基底上制备出记录电极，得到待封装结构，包括：

在该柔性基底上制备出记录电极、导线和连接电极，得到待封装结构；该连接电极位于该信号引出结构的第二端，该连接电极与处理设备连接；该导线与该记录电极、该连接电极连接，以使该记录电极将采集到的该脑部神经信号通过该导线、该连接电极传输给处理设备。

采用上述技术方案，本申请提供的柔性神经电极结构具有如下有益效果：

本申请提供的该柔性神经电极结构包括探针结构；且该探针结构包括主干结构和支干结构；该支干结构的端部与该主干结构的侧面连接；且该主干结构与该支干结构的连接处存在预设夹角a，0<a<180°；该主干结构和该支干结构上均设有记录电极，用于采集脑部神经信号，从而扩大了探针结构检测的范围，甚至能够跨脑区进行神经检测。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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申请的一些实施例，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为本申请一种可选的柔性神经电极结构的结构示意图；

图2为本申请一种可选的探针结构的结构示意图；

图3为本申请另一种可选的探针结构的结构示意图；

图4为可选的本申请植入前的探针结构的截面图；

图5为可选的本申请植入前的探针结构的状态示意图；

图6为可选的本申请植入后的探针结构的截面图；

图7为可选的本申请植入后的探针结构的状态示意图；

图8为本申请可选的探针结构的爆炸图；

图9为本申请另一种可选的柔性神经电极结构的结构示意图；

图10为本申请一种可选的柔性神经电极结构的制备流程图；

图11为本申请一种可选的柔性神经电极结构的制备过程示意图。

以下对附图作补充说明：

1-探针结构；2-主干结构；3-支干结构；31-第一支干；32-第二支干；4-记录电极；5-应力结构；6-处理液；7-导线；8-信号引出结构；9-连接电极；10-第一保护层；11-第二保护层；12-衬底；13-牺牲层；14-柔性基底；15-柔性封装层。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

如图1所示，图1为本申请一种可选的柔性神经电极结构的结构示意图。该柔性神经电极结构包括探针结构1；该探针结构1包括主干结构2和支干结构3；该支干结构3的端部与该主干结构2的侧面连接；且该主干结构2与该支干结构3的连接处存在预设夹角a，0<a<180°；该主干结构2和该支干结构3上均设有记录电极4，用于采集脑部神经信号，与现有技术中仅再纵向方向设置电极的探针相比，本申请的这种主干结构2与支干结构3配合形成的探针结构1具有检测范围大，进而能够实现跨脑区神经检测，促进了脑部神经相关方面的研究和发展。

可选的，根据需要该预设夹角可以设计为锐角，即0<a<90°；可以设计为是钝角，即90<a<180°；还可以灵活设计为直角，即a＝90°。

为了提高神经信号的检测范围，于一种可选的实施方式中，如图2所示，图2为本申请一种可选的探针结构的结构示意图。该支干结构3包括第一支干31和第二支干32；该主干结构2包括相对的第一侧和第二侧；该第一侧与该第一支干31连接；该第二侧与该第二支干32连接。

可选的，参考图2，该支干结构3还可以包括三个或者四个支干，该支干呈枝状结构，该支干结构3的尺寸可以根据需要进行调整，例如，该支干结构的长度范围为100微米-300微米；该支干结构的宽度范围为20微米-35微米。在此不做限定。

可选的，主干结构的尺寸可以根据需要进行调整，例如该主干结构的长度范围为500μm-1.2毫米；该支干结构的宽度范围为130微米-200微米。在此不做限定。

于一种可选的实施方式中，为了简化制作过程，提高制作效率；该第一支干31与该第二支干32以该主干结构2为轴对称，当然根据需要，该第一支干31和第二支干32还可以设置在主干结构2的同一侧，第一支干31和第二支干32也可以以主干结构2呈非对称结构，在此不做限定。

基于检测的需要，为了提高检测的准确性，于一种可选的实施方式中，参阅图2，该主干结构2上设有阵列排布的记录电极4；该支干结构3的第一端部上设有记录电极4；该第一端部远离该主干结构2；为了提高该探针结构的适用范围，于另一种可选的实施方式中，该支干上设有至少两个记录电极4；可选的，该支干上还可以设有阵列排布的记录电极4。

于一种可选的实施方式中，如图3所示，图3为本申请另一种可选的探针结构的结构示意图。该探针结构1还包括应力结构5；该应力结构5位于该支干结构3的端部，且靠近该主干结构2；以使当该探针结构1植入脑部前，该支干结构3处于收缩状态，当该探针结构1植入脑部后，该支干结构3处于张开状态；该应力结构5为柔性材料；

需要说明的是，可选的，上述主干结构2、支干结构3以及下文的信号引出结构8的材料均为柔性材料；可选的，该柔性材料包括SU-8，PI，Parylene或者蚕丝蛋白；在具体实施操作过程中，如图4和图5所示，图4为可选的本申请植入前的探针结构的截面图；图5为可选的本申请植入前的探针结构的状态示意图。可以是在该探针结构1插入之前，先将该探针结构1浸没在处理液6中，可选的，该处理液6可以是PEG或蚕丝蛋白溶液中，使其暂时硬化，从而由于表面张力作用，支干结构3收拢，参阅图5中的虚线框部分；应力结构5发生拉伸形变(参考图4)，存储预应力；如图6和图7所示，图6为可选的本申请植入后的探针结构的截面图；图7为可选的本申请植入后的探针结构的状态示意图。当将该探针结构1植入后，该PEG/蚕丝蛋白固化层在体内溶解，从而使得该应力结构5收缩(参考图8)，进而道使得支干结构3舒展，参阅图7中的虚线框部分；不仅能够提高检测范围，而且由于支干结构3是在植入后才展开，可以有效降低植入时的创口。

可选的，该应力结构5还可以位于支干结构3的中部，还可以位于主干结构2与支干结构3的连接处。

可选的，该应力结构5尺寸小于支干结构3的宽度，具体范围可以根据需要设置，在此不做限定。

可选的，如图8所示，图8为本申请可选的探针结构的爆炸图；该探针结构1还包括导线7，该导线7位于主干结构2和支干结构3内部，用于连接该主干结构2和支干结构3上的记录电极4，后续通过将该导线7与外部处理设备连接，从而可以对上述记录电极4采集到的神经信号进行处理。

可选的，参阅图8，该探针结构1还包括第一保护层10，该第一保护层10与主干结构2相对应，且位于主干结构2的顶部，该记录电极4和导线7位于主干结构2和第一保护层10之间，从而保护内部的导线7；可选的，该探针结构1还包括第二保护层11，该第二保护层11与支干结构3相对应，且对应的记录电极4和导线7位于第二基底层和第二保护层11之间。

于一种可选的实施方式中，如图9所示，图9为本申请另一种可选的柔性神经电极结构的结构示意图。该电极结构还包括信号引出结构8；该信号引出结构8的第一端与该主干结构2连接；该信号引出结构8的第二端上设有连接电极9，该连接电极9与处理设备连接；该信号引出结构8与该探针结构1内设有与该记录电极4、该连接电极9连接的导线7，以使该记录电极4将采集到的该脑部神经信号通过该导线7、该连接电极9传输给处理设备。

需要说明的是，本申请中的探针引出结构、信号引出结构8可以是一体成型，该探针引出机构中的支干结构3和主干结构2可以是一体成型。

参阅图10和图11，图10为本申请一种可选的柔性神经电极结构的制备流程图；图11为本申请一种可选的柔性神经电极结构的制备过程示意图。本申请在另一方面公开了一种柔性神经电极结构的制备方法，其包括以下步骤：

S1001：获取衬底12，参阅图11中的图(a)。

可选的，该衬底12可以是硅片，该衬底12的厚度范围为200-800微米。

S1002：在该衬底12上制备牺牲层13，参阅图11中的图(b)。

可选的，该牺牲层13的材料包括镍，可选的，该牺牲层13的厚度范围为500-10001。

可选的，步骤S102可具体阐述为：在该衬底12上涂覆光刻胶，并对该光刻胶图形化，再采用蒸镀或者溅射在衬底12上制备牺牲层13，从而采用剥离工艺图形化得到牺牲层13。

S1003：在该牺牲层13上形成柔性基底14，并图形化该柔性基底14,参阅图11中的图(c)；请参阅图1，该柔性基底14包括探针结构1基底，该探针结构1基底包括主干结构2和支干结构3，该支干结构3的端部与该主干结构2的侧面连接；且该主干结构2与该支干结构3的连接处存在预设夹角a，0<a<180°。

可选的，该柔性基底14的材料可以是SU-8，还可以是聚酰亚胺，聚对二甲苯基，蚕丝蛋白等柔性材料。

可选的，该柔性基底14的厚度范围可以为450纳米-2.5微米。

可选的，步骤S103可以阐述为：在牺牲层13上旋涂SU-8光刻胶，并图形化该SU-8光刻胶，从而在牺牲层13上制备得到柔性基底14。

可选的，旋涂的参数可以是3000转/分钟的转速旋涂30秒。

S1004：在该柔性基底14上制备出记录电极4，得到待封装结构，参阅图11中的图(d)；该主干结构2和该支干结构3上均设有记录电极4，用于采集脑部神经信号,参阅图1。

可选的，步骤S104可以具体阐述为：在柔性基底14的表面旋涂光刻胶，并对该光刻胶进行图形化，采用蒸镀或者溅射工艺在柔性基底14上沉积金属层，采用剥离工艺图形化得到记录电极4。

于一种可选的实施方式中，参阅图9和图11中的图(e)；该柔性基底14还包括信号引出结构8；该信号引出结构8的第一端与该主干结构2连接；步骤S104可以阐述为：在该柔性基底14上制备出记录电极4、导线7和连接电极9，得到待封装结构；该连接电极9位于该信号引出结构8的第二端，该连接电极9与处理设备连接；该导线7与该记录电极4、该连接电极9连接，以使该记录电极4将采集到的该脑部神经信号通过该导线7、该连接电极9传输给处理设备。

需要说明的是，当记录电极4、连接电极9和导线7的材料相同时，可以直接在柔性基底14上同时图形化出记录电极4、连接电极9和导线7对应的图形，从而后续只需要一同进行金属沉积和剥离即可制备得到上述电极和导线7；当然，如果上述电极或者导线7的材料不同时，则需要进行分别图形化和沉积工艺，在此不做赘述。

可选的，该记录电极4的材料为铬-金-铬合金，其中，铬为粘附层，金为导电层；可选的，粘附层的材料还可以是钛；导电层的材料还可以是铂或者钯、铜、铝、银。

可选的，粘附层的厚度范围为50-1001；导电层的厚度范围为1000-20001。

可选的，记录电极4为5纳米/150纳米/5纳米的铬-金-铬合金；连接电极9为5纳米/80纳米/20纳米的铬-镍-金合金。

S1005：参阅图11中的图(f),在该待封装结构上制备柔性封装层15，并图形化该柔性封装，以暴露出该记录电极4。

可选的，柔性封装层15包括第一保护层10和第二保护层11，该第一保护层10与主干结构2对应，第二保护层11与支干结构3对应。

可选的，该柔性封装层15的材料可以是SU-8，还可以是聚酰亚胺，聚对二甲苯基，蚕丝蛋白等柔性材料。可选的，该柔性封装层15的材料与柔性基底14的材料可以是相同的，也可以是不同的。

可选的，当该柔性封装层15的材料为SU-8光刻胶时，可以采用旋涂的方式在封装结构上制备预设厚度的薄膜，并通过光刻图形化，从而在该待封装结构上制备得到柔性封装层15。

可选的，旋涂的参数可以是3000转/分钟的转速旋涂30秒。

可选的，该柔性封装层15的的厚度范围可以为450纳米-2.5微米。

于一种可选的实施方式中，参阅图11中的图(g),步骤S105之后，该方法还包括：

在该柔性封装层15上制备应力结构5，该应力结构5位于该支干结构3的端部，且靠近该主干结构2；以使当该探针结构1植入脑部前，该支干结构3处于收缩状态，当该探针结构1植入脑部后，该支干结构3处于张开状态。

可选的，该应力结构5的材料可以是SU-8，还可以是聚酰亚胺，聚对二甲苯基，蚕丝蛋白等柔性材料。于一种可选的实施方式中，该应力结构5的材料、该柔性基底14的材料和该柔性封装层15的材料相同。

可选的，当应力结构5的材料是SU-8光刻胶，可以采用旋涂的方式在柔性封装层15上制备预设厚度的薄膜，并通过光刻图形化，从而在该待封装结构上制备得到应力结构5。

可选的，旋涂的参数可以是3000转/分钟的转速旋涂3秒。

可选的，该柔性封装层15的的厚度范围可以为1-3微米。

需要说明的是，应力结构5在器件植入前存储预应力，植入后释放应力，辅助柔性分支完成展开，实现电极点空间上立体分布。

S1006：参阅图11中的图(h),释放该牺牲层13，得到该柔性神经电极结构。

综上所述，本申请提供的上述柔性神经电极结构包括主干结构2和支干结构3，从而可以使该电极结构植入后，记录电极4可以在空间上立体分布，增强了单器件对同区域各类神经信号的检测能力；后续可以通过在该电极结构上设置应力结构5，该应力结构5在植入前存储预应力，使支干结构3收拢，减小植入过程对脑组织的损伤，植入后释放应力，辅助支干结构3在脑内展开。该柔性神经电极结构可以长期稳定的在体记录。

以上所述仅为本申请可选实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性神经电极结构，其特征在于，包括探针结构(1)；

所述探针结构(1)包括主干结构(2)和支干结构(3)；

所述支干结构(3)的端部与所述主干结构(2)的侧面连接；且所述主干结构(2)与所述支干结构(3)的连接处存在预设夹角，所述预设夹角为a，且0<a<180°；

所述主干结构(2)和所述支干结构(3)上均设有记录电极(4)，用于采集脑部神经信号。

2.根据权利要求1所述的柔性神经电极结构，其特征在于，所述探针结构(1)还包括应力结构(5)；

所述应力结构(5)位于所述支干结构(3)的端部，且靠近所述主干结构(2)；以使当所述探针结构(1)植入脑部前，所述支干结构(3)处于收缩状态，当所述探针结构(1)植入脑部后，所述支干结构(3)处于张开状态；

所述应力结构(5)为柔性材料。

3.根据权利要求1所述的柔性神经电极结构，其特征在于，所述支干结构(3)包括第一支干(31)和第二支干(32)；

所述主干结构(2)包括相对的第一侧和第二侧；

所述第一侧与所述第一支干(31)连接；

所述第二侧与所述第二支干(32)连接。

4.根据权利要求3所述的柔性神经电极结构，其特征在于，所述第一支干(31)与所述第二支干(32)以所述主干结构(2)为轴对称。

5.根据权利要求1所述的柔性神经电极结构，其特征在于，所述主干结构(2)上设有阵列排布的记录电极(4)；

所述支干结构(3)的第一端部上设有记录电极(4)；所述第一端部远离所述主干结构(2)。

6.根据权利要求1所述的柔性神经电极结构，其特征在于，还包括信号引出结构(8)；

所述信号引出结构(8)的第一端与所述主干结构(2)连接；

所述信号引出结构(8)的第二端上设有连接电极(9)，所述连接电极(9)与处理设备连接；

所述信号引出结构(8)与所述探针结构(1)内设有与所述记录电极(4)、所述连接电极(9)连接的导线(7)，以使所述记录电极(4)将采集到的所述脑部神经信号通过所述导线(7)、所述连接电极(9)传输给处理设备。

7.一种柔性神经电极结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取衬底(12)；

在所述衬底(12)上制备牺牲层(13)；

在所述牺牲层(13)上形成柔性基底(14)，并图形化所述柔性基底(14)；所述柔性基底(14)包括探针结构(1)基底，所述探针结构(1)基底包括主干结构(2)和支干结构(3)，所述支干结构(3)的端部与所述主干结构(2)的侧面连接；且所述主干结构(2)与所述支干结构(3)的连接处存在预设夹角a，0<a<180°；

在所述柔性基底(14)上制备出记录电极(4)，得到待封装结构；所述主干结构(2)和所述支干结构(3)上均设有记录电极(4)，用于采集脑部神经信号；

在所述待封装结构上制备柔性封装层(15)，并图形化所述柔性封装，以暴露出所述记录电极(4)；

释放所述牺牲层(13)，得到所述柔性神经电极结构。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述在所述待封装结构上制备柔性封装层(15)，并图形化所述柔性封装，以暴露出所述记录电极(4)之后，还包括：

在所述柔性封装层(15)上制备应力结构(5)，所述应力结构(5)位于所述支干结构(3)的端部，且靠近所述主干结构(2)；以使当所述探针结构(1)植入脑部前，所述支干结构(3)处于收缩状态，当所述探针结构(1)植入脑部后，所述支干结构(3)处于张开状态。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述应力结构(5)的材料、所述柔性基底(14)的材料和所述柔性封装层(15)的材料相同。

10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述柔性基底(14)还包括信号引出结构(8)；所述信号引出结构(8)的第一端与所述主干结构(2)连接；

所述在所述柔性基底(14)上制备出记录电极(4)，得到待封装结构，包括：

在所述柔性基底(14)上制备出记录电极(4)、导线(7)和连接电极(9)，得到待封装结构；所述连接电极(9)位于所述信号引出结构(8)的第二端，所述连接电极(9)与处理设备连接；所述导线(7)与所述记录电极(4)、所述连接电极(9)连接，以使所述记录电极(4)将采集到的所述脑部神经信号通过所述导线(7)、所述连接电极(9)传输给处理设备。

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