CN114096483A - 包含还原氧化石墨烯层堆叠的还原氧化石墨烯膜片及其应用 - Google Patents

包含还原氧化石墨烯层堆叠的还原氧化石墨烯膜片及其应用 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种总厚度为从20nm到5微米的还原氧化石墨烯(rGO)膜片，其包含rGO层堆叠，所述rGO层包含薄片，其中两个连续层之间的间距为从0.2至0.7nm，并且涉及一种包含rGO层与附加的连续支撑物的电性背接触的连续还原氧化石墨烯(rGO)结构，rGO沉积在支撑物上。本申请还涉及用于制备rGO膜片和电性背接触的连续rGO结构，并且涉及用于侦测、接收和/或感应电信号的电子装置。

Description

包含还原氧化石墨烯层堆叠的还原氧化石墨烯膜片及其应用
本申请要求于2019年2月27日提交的欧洲专利申请19382146.9的权益。领导本申请的项目已经接受来自欧盟地平线2020研究和创新计划下的石墨烯旗舰计划(GrapheneCore2)的资金(资助协议编号785219)。
技术领域
本申请涉及包含rGO层堆叠的还原氧化石墨烯(rGO)膜片，其在基于电解质的系统中表现出高导电性。这些rGO膜片可以被集成到需要高和快速电荷注入的装置中，诸如用于神经接口的可植入电子装置(例如，用于深度脑刺激或周围神经系统刺激的神经刺激器、耳蜗和视网膜植入物、起搏器、脑计算机接口等)。
背景技术
神经假体装置是通过与神经系统电性接口来监测、预防和治疗神经疾病、障碍和状态的强大工具。一旦植入神经组织，它们能够记录和刺激电神经活动。目前，大多数神经假体技术将其与神经组织的接口建立在电极上。
接口可以通过法拉第电流或电容电流产生。一方面，法拉第电流与在电极/组织接口中发生的氧化还原反应有关。这些反应最终会降解电极并损坏组织。
另一方面，电容电流是由于当电导体被放置在液体环境中时出现的双层充电和放电。对于植入物，由于电容电流不会伤害组织也不会降解电极材料，因此电容电流总是优于法拉第电流。由此，高电容是实现与神经组织有效和安全接口的理想选择。电容设定诸如材料的电荷注入极限(charge injection limit,CIL)及其阻抗的性能值。在记录和刺激神经系统的神经活动时，需要高水平的电荷注入和低阻抗。电极的尺寸受到制成电极的材料的性能限制；在高电容方面具有高性能的材料允许更高水平的小型化。
然而，为了提高技术的接受度、改善其治疗应用并减少术后并发症，接口精度和装置耐用度是待改善的方面。可以通过减小电极尺寸和增加电极阵列的分辨率来改善接口精度。典型地，电极由于制造其的材料的固有阻抗和电荷注入极限(CIL)而表现出小型化限制。装置的耐用度取决于电极材料的化学稳定性、其生物相容性以及其与活体组织的机械顺应性。
当在活体组织中植入装置时，身体对材料的免疫反应是另一个需要考虑的因素。例如，植入区域周围会发生疤痕组织形成和炎症。免疫反应往往会包裹外来物，随着时间推移，这会降低装置的电性能。那些具有与植入其中的组织不匹配的强刚性的材料更容易受到身体的攻击。因此，挠性和柔软的材料比刚性或厚的材料更被需要。还需要薄的装置来最小化免疫反应。
材料的长期稳定性也是慢性植入物需要考虑的关键方面，因为需要具有高化学和机械稳定性的材料。
标准的商用神经接口基于由Pt、铂铱(Pt/Ir)、氧化铱(IrOx)或氮化钛(TiN)制成的金属微电极。这些材料通过法拉第电流和电容电流的组合与活体组织相互作用，提供有限的化学稳定性并且是刚性的。金属性能在直径为数十微米的微电极中剧烈下降；进一步的，金属会在持续的组织刺激下降解。
近期，诸如聚合物混合物聚(3,4-乙烯基二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT：PSS)的导电聚合物已经成为克服金属微电极限制的有前景的候选物。然而，当植入时，它与组织的接口也是通过法拉第电流和电容电流的组合。通过改善金属的阻抗和CIL及其挠性，可以在神经组织的记录和刺激中实现更高的性能。然而，可能会发生分层，从而损害长期稳定性。已经描述了由于PEDOT:PSS在操作时会发生化学和机械降解，因此PEDOT:PSS在刺激方法中存在问题。
石墨烯是一种对于神经接口具有非常有趣的性质的材料。它具有导电性、挠性、机械稳固性和高度惰性，它是在水性环境中安全电性接口的良好候选物。然而，单层石墨烯微电极的性能远非神经接口的最佳选择，特别是对于需要神经组织刺激的应用。由于阻抗受到石墨烯/组织接口的电容的限制，并且刺激是一个电容方法，因此已经建议以具有大面积体积比的基于三维多孔石墨烯的材料来克服这个问题。然而，已有报导，这种由薄片加工而成的石墨烯材料，包括至今所报导的基于多孔石墨烯的材料，包括那些由还原氧化石墨烯(rGO)制成的材料，需要数百微米范围的厚度才能实现有效的刺激性能。
因此，仍然有兴趣开发可以容易地集成到装置中以克服现有技术的问题的持久、高性能和薄的基于石墨烯的材料。
发明内容
本发明人已经开发出稳定的还原氧化石墨烯(rGO)薄膜片，所述薄膜片包含一叠rGO薄片，其与碳原子单层(单层石墨烯)相比，其示出显著增加的电化学活性表面积。结果为，这些rGO膜片能够在其功能寿命期间以有效且一致的方式提供高电荷注入性质。这些石墨烯材料可用于制造电子装置，诸如微电极，所述石墨烯材料表现出低接口阻抗(Z)、极高的电荷注入极限(CIL)和优越的稳定性。这些rGO膜片是高度多孔的。
本申请的rGO膜片是挠性的，并且在机械性和化学性高度稳定，特别是在水溶液中。此外，它们的生产易于放大规模并与大量制程兼容。
包含本申请的rGO膜片的电子装置当用作神经接口时具有当它们被植入体内时可以被安全地使用的优点，因为它们示出良好的生物相容性。特别地，如示例所说明的，本申请的rGO膜片示出与在神经组织环境中遇到的细胞的生物相容性。此外，由于与生物组织直接接触的本申请的rGO膜片的上表面具有低粗糙度，因此本申请的rGO膜片不会损伤组织，也不会剥落或留下不需要的残留物。因此，这些植入物具有最小的来自神经组织的炎症(局部或全身)反应。
另外，因为它们的高导电性和电荷注入能力，包含本申请的rGO材料的装置可以小型化(例如，直径低于大约10μm，并且厚度低于大约1μm)，从而一方面延伸它们的功能以与神经系统接口，接口的面积比目前商业技术的接口面积小25倍，另一方面是最少侵入性。此外，如果需要研究更大的身体区域，包含本申请的rGO膜片的装置可以以不同密度的阵列的形式排列。
最后，如示例中所示，与金电极相比，包含本申请的rGO材料的装置实现了信噪比(SNR)的显著改善和电干扰噪声的实质降低。它们允许侦测神经元的组合，甚至单个神经元的信号(对于直径为大约25μm的电极，噪声水平等于或低于大约3μV均方根(rms))和神经元组合的信号。它们也允许在大面积上(高达数十cm2)并以高空间分辨率(活动记录点的数百μm2)进行记录。另外，当在嚙齿动物中进行体内测试时，经由含有本申请的rGO膜片的神经内植入物，证明神经刺激以低电流阈值和高选择性激活坐骨神经束内的特定轴突子集。
所有这些特性(生物相容性、耐用度、高性能、适合刺激应用的电荷注入能力、植入时材料的最小足迹、小尺寸等)使得当它们在用作神经接口时特别有趣。
因此，本申请的第一方面涉及总厚度为从20nm到5微米的还原氧化石墨烯(rGO)膜片，其包含rGO层堆叠，所述rGO层包含薄片，其中两个连续层之间的间距为从0.2至0.7nm。特别地，所述膜片可以通过包括以下步骤的方法获得：i)通过多孔膜过滤氧化石墨烯(GO)溶液，从而在膜顶部形成GO膜片，其中特别是氧化石墨烯(GO)溶液是水溶液，溶液中氧化石墨烯(GO)的浓度为从0.001至5mg/mL，并且过滤体积为从5至1000mL；
ii)将GO膜片从膜转移到牺牲基材上，从而将GO膜片置于位在顶部的膜和位在底部的牺牲基材之间；iii)去除膜，从而使GO膜片保持贴附在牺牲基材上；iv)水热还原GO膜片以形成还原的GO材料(rGO)，特别是在从100至240℃的温度下，在从105至4·108Pa的压力下，持续从1分钟至24小时的期间，在水的存在下；和v)从牺牲基材脱离rGO材料。
为了改善本申请的rGO膜片的电容性质，它们可以可选地贴附到附加导电材料或支撑物上，诸如单层石墨烯(SLG)、少层或多层石墨烯(FLG、MLG)以及诸如像是氧化铟锡、铂或金的金属的其他导电基材。由此，本申请的另一方面涉及电背接触的导电还原氧化石墨烯(rGO)结构，所述导电还原氧化石墨烯(rGO)结构包含如先前定义的rGO膜片和在其上沉积rGO的附加导电支撑物。
本申请的另一方面涉及如上定义的rGO膜片的制备方法，其包含以下步骤：
i)通过多孔膜过滤氧化石墨烯(GO)溶液，从而在膜顶部形成GO膜片，其中特别是氧化石墨烯(GO)溶液是水溶液，溶液中氧化石墨烯(GO)的浓度为从0.001至5mg/mL，并且过滤体积为从5至1000mL；
ii)将GO膜片从膜转移到牺牲基材上，从而将GO膜片置于位在顶部的膜和位在底部的牺牲基材之间；
iii)去除膜，从而使GO膜片保持贴附在牺牲基材上；
iv)水热还原GO膜片以形成还原的GO材料(rGO)，特别是在从100至240℃的温度下，在从105至4·108Pa的压力下，持续从1分钟至24小时的期间，并且在水的存在下；和
v)从牺牲基材脱离rGO材料。
本申请的另一方面涉及一种用于制备如上定义的电背接触的导电还原氧化石墨烯(rGO)结构的方法，其包含以下步骤：
i')通过多孔膜过滤氧化石墨烯(GO)溶液，从而在膜顶部形成GO膜片，其中特别是氧化石墨烯(GO)溶液是水溶液，溶液中氧化石墨烯(GO)的浓度为从0.001至5mg/mL，并且过滤体积为从5至1000mL；
ii’)将GO膜片从膜转移到附加导电支撑物上，从而将GO膜片置于位在顶部的膜和位在底部的附加导电支撑物之间；
iii’)去除膜，从而使GO膜片保持贴附在附加导电支撑物上；和
iv')水热还原GO膜片以形成还原的GO材料(rGO)，特别是在从100至240℃的温度下，在从105至4·108Pa的压力下，持续从1分钟至24小时的期间，在水的存在下。
如上所述，本申请的基于rGO的膜片，其可选地被贴附到进一步的导电支撑物，可以被集成到用于神经接口的电子装置(可植入或不可植入)中。由此，本申请的rGO膜片适合用于植入，特别是人体中，并且特别适合用于侦测、接收和/或感应人体中的电信号。
据此，本申请的另一方面涉及一种用于侦测、接收和/或感应电信号的电子装置，其包含如先前定义的rGO膜片或如上述定义的电背接触的导电还原氧化石墨烯(rGO)结构。
本申请的另一方面涉及一种用于在哺乳动物特别是人类中侦测、接收和/或感应电信号的方法，包含将包含如上述定义的rGO膜片的电子装置植入到哺乳动物，特别是人类。
本申请的另一方面涉及一种用于在哺乳动物特别是人类中侦测、接收和/或感应电信号的方法，包含将包含如上述定义的还原氧化石墨烯(rGO)膜或电背接触的导电还原氧化石墨烯(rGO)结构材料的电子装置植入到哺乳动物，特别是人类。
附图说明
图1示出本申请的rGO膜片的制备方法的一个实施方案，包括：(A和B)通过硝化纤维素膜过滤GO溶液，(C)将堆叠的GO薄片的沉积膜片转移到导电基材上，和(D)水热还原整体。
图2：(A)本申请的rGO膜片横截面的SEM显微照片，(B)揭示本申请的rGO膜片的上表面粗糙度的原子力显微镜(AFM)图像。
图3：(a)通过HRTEM沿着材料的横截面片所截取的本申请的rGO膜片的横截面图。比例尺对应于20nm。(b)沿(a)中不连续线的图表；图像的强度为每0.4nm周期性振荡。(c)(a)的功率光谱。比例尺＝1/10nm。(d)两个对称峰显现在1/2.7nm处，这指示在0.37nm处的薄片堆叠中的优先方向。(e)GO膜片(水热还原之前)和在金基材上的示例5的HTrGO膜片的X射线衍射光谱。GO膜片在11°处表现峰值，这是GO薄片在膜片中以大约0.81nm的交叠间距平行堆叠的特征；在rGO膜片中，在11°处的a峰消失，并且在23°处出现新峰，这是GO薄片以大约0.39nm的交叠间距平行堆叠的特征。(f)GO和HTrGO的平均拉曼光谱。在水热处理后，D峰和G峰之间的比增加。
图4：(a)示出C1s和O1s峰的GO和HTrGO的XPS全谱图。从它们的强度，可以计算出碳氧比。(b)GO和HTrGO的C1s峰示出氧相关键结的减少，这是还原方法的典型特征。(c)GO和HTrGO膜片的电阻率。GO的水热还原导致测得的电阻率从大约67kΩ·cm降低到大约0.2Ω·cm。
图5：电子能量损失光谱(a)EGNITE(示例5)片的高角度环形暗场(HAADF)扫描透射电子显微镜(STEM)图像。(b)在从a选择的区域上获得的STEM电子能量损失光谱学(EELS)元素图谱，如白框所示，使用：在284eV处的C k-边缘，在532eV处的O K-边缘，以及在456eV处的Ti L-边缘。(c)C和O的相对原子组成。碳几乎占85％，而氧达到15％。
图6：神经活动记录。(a)实验设置示意图。一个微电极挠性阵列被放置在听觉皮层的表面，同时呈现16kHz的纯音。(b)根据本申请的阵列(EGNITE)和Pt阵列在1kHz处的阻抗测量。(c)根据本申请的μECog装置被放置在听觉皮层上。(d)由于以根据本申请的微电极测量的16kHz纯音和200ms持续时间(阴影)所引起的诱发局部场电位。尸体解剖后信号重叠。(e)与Pt微电极相同的(f)本申请的微电极和Pt微电极的功率光谱强度(PSD)，在体内和尸体解剖后条件中。(g)由(f)的体内和尸体解剖后条件之间的信号比计算的信噪比。
图7：神经刺激。(a,b)横向束内多电极阵列通过胫骨前(TA)肌肉、腓肠肌(GM)和足底(PL)肌肉的神经支配植入坐骨神经的示意图。(c)横向植入通过坐骨神经的装置的光学图像。(d)TA、GM和PL肌肉的电流控制刺激训练和CMAP。(e)TA、GM和PL的CMAP幅度与刺激强度的关系图。
图8：PL、GM、TA肌肉的CMAP标准化为一个微电极(带*的那个)的最大响应。靠近微电极的束在比远处的束更低的阈值下触发响应。
具体实施方式
除非另有说明，否则在本申请中的本文使用的所有术语应以本领域已知的其普通含义来理解。本申请中使用的某些术语的其他更具体的定义如下所述，并且旨在统一应用于整个说明书和权利要求。
如本文所使用的，术语“大约”或“附近”是指指定值的±10％的值范围。例如，表述“大约10”或“10附近”包括10的±10％，即从9到11。
出于本申请的目的，术语“氧化石墨烯”(GO)是指包含碳原子的材料，如石墨烯，但也包含一定群体或数量的氧官能团。术语“还原氧化石墨烯”(rGO)是指已经通过诸如水热还原方法的还原方法进行还原的氧化石墨烯(GO)，并且因此与还原步骤之前的GO(即非还原GO)相比具有减少的氧含量。术语“HTrGO”是指水热还原氧化石墨烯(GO)。
如本文所使用的术语“电极”是指接口两种介质的电导体，在这种情况下，它将身体(或来自身体的组织)连接到用于引发电信号(例如用于提供神经刺激)和/或接收电信号(例如用于监测神经活动)的装置。
术语“电容”是指电容器中储存的电荷与给定电位差之间的比。电容以法拉(F)为单位测量。
如本文所使用的术语“电荷储存电容(CSC)”是指由被电介质分开的两个导电介质组成的系统在给定电位差下能够承受的最大电荷量。为了获得系统的电荷储存电容，可以执行循环伏安法技术。为此，施加到其的电压会循环性变化并测量电流。由于测量电流而累积的电荷对应于电荷储存电容。电荷储存电容以库仑(C)为单位测量。
如本文所使用的术语“电荷注入极限(CIL)”是指能够通过电极注入到电解质介质而不引起不可逆法拉第反应的最大电荷量。理想情况下，电荷仅通过电容电流注入并避免可逆法拉第反应。电荷注入极限以mC/cm2为单位测量。
如本文所使用的术语“阻抗”是指当施加电压时电路所呈现的对于电流的阻力的测量。电路的阻抗可以由将流过它的电流除以施加的电压信号来获得。阻抗以欧姆(Ω)为单位测量。根据电流和电压的行为，可以识别电容并将其拟合到阻抗。当提到电极时，阻抗被称为接口阻抗。
术语“电阻率”是材料的一种性质，所述材料的性质可以量化其抵抗或传导电流的强度，并以欧姆-米(Ω·m)为单位进行测量。高电阻率值指示所述材料是不良导体，同时低值指示所述材料具有良好的导电性。
如本文所使用的术语rGO膜片的“稳定性”被理解为接口阻抗在超过至少1亿个脉冲的连续电脉冲上没有增加。
rGO膜片的术语“表面积与体积比(SAVR)”是表面积与体积的比值，以m-1为单位测量。SAVR可以通过将表面积除以rGO膜片的体积来测量。rGO膜片的表面积可以由将针对rGO膜片测量的电流除以扫描速率值(50mV/s)乘以单层石墨烯的固有接口电容(2-5μF/cm2)来获得，所述电流是在0V下在磷酸盐缓冲盐水(PBS)电解质中在-0.9V和0.9V之间以50mV/s的扫描速率以循环伏安法进行测量。(见Taer,E.,et al.,Journal of Physics:ConferenceSeries,Volume 1116,Issue 3；Hess,Lucas H.et al.,Proceedings of the IEEE|Vol.101,No.7,July 2013)。
本申请涉及包含rGO层堆叠的还原氧化石墨烯(rGO)薄膜片，与碳原子单层相比，其示出增加的电化学活性表面积。
不受理论的束缚，已经认为，归因于薄片石墨烯层之间的堆叠间距为从0.2至0.7nm，以及可在密集石墨烯堆叠中充当离子传输捷径的开放通道，因此实现了提升的电化学性能。离子传输捷径的打开和交叠间距被认为是由于本申请的rGO膜片的制备方法包含水热还原步骤，其中从薄片的基面除去氧基团。
电化学活性表面积的增加可以通过测量水溶液中rGO膜片的接口电容来证明。在本申请的一些实施方案中，在1-2μm厚的膜片中表面积增加了104倍。这可以从阻抗光谱数据中导出。与未还原的GO膜片的较高电阻率值相比，还原后rGO膜片的较低电阻率值也可以证明(图4c)。
在一个实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，如先前定义的还原氧化石墨烯(rGO)膜片，其中厚度为从1000至2000μm(其大致对应于包含大约5000层薄片的膜片)，并且交叠间距为大约0.4nm，具有电化学表面积，使得能够在基于电解质的系统中，更特别地在水溶液系统中提供10至60mF/cm2的电容。
在一个实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，如上述定义的rGO膜片的表面积与体积比(SAVR)为从108至10 10m-1，以如上述定义的方式进行测量。
在一个特定实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，如上述定义的还原氧化石墨烯(rGO)膜片示出从0.01至10，更特别地从0.05至5或从0.1至1的电阻率，并且甚至更特别地是大约0.2Ω·cm。
可以通过不同的技术，诸如SEM、TEM、AFM、HAADF、STEM-EELS、XRD、XPS和拉曼来评估包含rGO层的堆叠的本申请的rGO膜片的结构，所述rGO层的堆叠包含薄片，如以下将解释的。
出于本申请的目的，如本文所使用的术语“堆叠”是指多个，即多于一个，特别是从100至500000个水平对齐或排列的层，即一个放置在另一个的顶部。可以通过扫描电子显微镜(SEM)图像(图2A)评估堆叠结构。术语“薄片”是指具有平坦且薄的几何形状的材料。多个薄片形成一层。
术语“堆叠”或“交叠”间距是指薄片或层的两个连续层或平面之间的间距，所述薄片或层是将一个在另一个的顶部上沉积并且可以通过X射线衍射(XRD)数据和高分辨率透射测量电子(HRTEM)测量。
在一个实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，薄片是多孔薄片。术语“多孔薄片”是指在rGO结构中包含二维孔的薄片。薄片中的孔也可以定义为空洞、空腔、开口或间隔。这些间距也提高了电化学性能，并且是水热还原步骤的结果。
在一个实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，rGO层的堆叠包含从100至500000，更特别地从30000至100000，甚至更特别地从30000至80000，甚至更特别地从50000到60000层的薄片。
如上所述，本申请的还原氧化石墨烯(rGO)膜片的总厚度为20nm至5微米。
在一个实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，还原氧化石墨烯(rGO)膜片的总厚度为从500至2000nm或从25nm至1微米，更特别地从25到500nm，甚至更特别地从25到200nm。由于透明电极和组织之间的接口可以通过光学技术观察，因此所述厚度产生透明材料并且在一些应用中提供进一步的优点。
本申请的rGO膜片的厚度可以例如通过扫描和/或透射电子显微镜(SEM、TEM)测量。图2A示出本申请的一个实施方案的rGO膜片的横截面的显微照片。
在一个实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，本申请的还原氧化石墨烯(rGO)膜片示出如图4a和/或4b(见HTrGO)所描绘的X射线光电子光谱学(XPS)光谱。
在另一个实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，本申请的还原氧化石墨烯(rGO)膜片具有从0.8至2.0或从1.2至2.0的碳氧比(原子比例)，更特别地从1.0至1.5或从1.6至1.8，并且甚至更特别地大约1.22。碳氧比可以从X射线光电子光谱学(XPS)计算。
如上所述，本申请的rGO膜片中的堆叠间距是在膜片制备中使用的水热还原步骤的结果。由此，例如，当在水热还原前后通过X射线衍射(XRD)研究特定样品薄片之间的堆叠间距时，从还原前(GO)的0.81±0.08nm到还原后(rGO)的0.39±0.06nm的减少被观察到。
由此，在一个实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，本申请的还原氧化石墨烯(rGO)膜片具有如在图3e(见HTrGO)中示出的X射线衍射(XRD)光谱。
在一个实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，本申请的还原氧化石墨烯(rGO)膜片示出沿着材料横截面中的突出线(图3a)以HRTEM测量的图表，如图3b中所描绘的。
在一个实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，本申请的还原氧化石墨烯(rGO)膜片示出沿着材料横截面的功率光谱中的突出线(图3c)的图表，如图3d中所描绘的。
在一个实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，如通过X射线衍射(XRD)所测量的，薄片的两个连续层之间的间距为从0.3至0.5，更特别地从0.37至0.43，甚至更特别地大约0.4nm。
另一方面，非还原GO晶体膜片的X射线衍射光谱典型为表现在11±0.5处、σ＝4、角度2θ的峰，所述峰在X射线衍射仪(XRD)中以CuKα辐射
Figure BDA0003316394550000081
测量，这是在膜片中的GO(非还原)薄片平行堆叠的特征。相反地，当GO膜片被还原并具有无序状态时，所述峰在相应的X射线衍射光谱中实质上不存在(图3e)。可以例如在Malvern PANalytical公司的材料研究衍射仪(MRD)中执行XRD测量(θ-2θ扫描)。此衍射仪具有四圆几何形状的水平Ω-2θ测角仪(320mm半径)，并且其与带有CuKα阳极
Figure BDA0003316394550000082
的陶瓷X射线管一起工作。使用的侦测器是Pixcel，其为一种基于Medipix2技术的快速X射线侦测器。
由此，在一个实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，如上述定义的还原氧化石墨烯(rGO)膜片示出X射线衍射光谱，其中在11±0.5处、σ＝4、角度2θ的峰在X射线衍射仪(XRD)中以CuKα辐射
Figure BDA0003316394550000083
测量，非还原氧化石墨烯的特征实质上不存在，即在本申请的rGO膜片中最多仅存在非常短的范围排序。如本文所使用的术语“实质上不存在”是指对应于等于或小于大约1％面积/面积、更特别地等于或小于1％面积/面积的非还原GO晶体膜片的峰的存在。更特别的，如上定义的还原氧化石墨烯(rGO)膜片示出如在图3e(HTrGO)所示出的X射线衍射光谱。
在另一个实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，如上定义的还原氧化石墨烯(rGO)膜片示出在X射线衍射光谱中在23±0.5处、σ＝4、角度2θ的峰，所述峰在X射线衍射仪(XRD)中以CuKα辐射
Figure BDA0003316394550000084
测量。
如上所述，本申请的rGO膜片当植入时具有最小的来自神经组织的炎症(局部或全身性)反应。这可以至少部分地解释，因为与生物组织直接接触的本申请的rGO膜片的上表面具有低粗糙度并且不会留下不希望的残留物。rGO膜片的上表面的粗糙度可以通过原子力显微镜(AFM)测量。如图2B所示，其中观察到，本申请的实施方案的rGO膜片的表面具有在25x25μm2的面积上低至大约55nm的平方根平均粗糙度。所述值期望防止组织损伤以及促进细胞的粘附和增生，同时最小化与细菌的交互作用。
在一个实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，本申请的rGO膜片的上表面，其为当膜片被植入时与生物组织直接接触的膜，如同通过原子力显微镜(AFM)所测量的，具有在25x25μm2的面积上从1至200nm的平方根平均粗糙度，更特别地从10至100nm，甚至更特别地大约55nm。
拉曼光谱也可用于表征本申请的还原氧化石墨烯(rGO)膜片。强度D与G(D/G)带的比是存在于石墨烯结构中的缺陷的量度。在一个实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，如上定义的还原氧化石墨烯(rGO)膜片示出对于20x20μm2的面积在拉曼光谱中等于或大于0.9的D至G的比(峰幅度/峰幅度)，更特别地从0.9至2.4，甚至更特别地从0.9至1.5，并且甚至更特别地大约1.14。更特别地，如上定义的还原氧化石墨烯(rGO)膜片具有如在图3f中示出的拉曼光谱。
如上所述，本申请的还原氧化石墨烯(rGO)膜片在基于电解质的系统中表现出高导电性。在一个实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，本申请的还原氧化石墨烯(rGO)膜片当在大约25微米直径的电极中实施时，能够提供从2至10mC/cm2的电荷注入极限(CIL)，以及在基于电解质的系统中，更特别地在水溶液系统中，提供在1kHz的频率下10至100kΩ的阻抗。
作为用于制备本申请的还原氧化石墨烯(rGO)膜片的方法的结果，与未还原的膜相比，所得rGO膜片的元素组成具有降低的氧含量。rGO膜片的外部和内部的化学组成可以通过X射线光电子光谱学(XPS)和电子能量损失光谱学(EELS)进行研究。在一个实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，rGO膜片的外表面及其内部部分(主体部)的元素组成是均质的(图5)。
由此，在一个特定实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，rGO膜片的元素组成基本上由其量等于或大于原子组成的大约80％的碳以及其量等于或小于原子组成的大约20％的氧所组成，更特别地，它基本上由其量等于或大于原子组成的大约85％的碳以及其量等于或小于原子组成的大约15％的氧所组成，甚至更特别地，它基本上由其量等于或大于原子组成的大约88％的碳以及其量等于或小于原子组成的大约12％的氧所组成。
出于本申请的目的，术语“元素组成基本上由…组成”意指特定的进一步组分可以存在于膜片中，即那些不会在本质上影响还原氧化石墨烯的基本特性的那些。在一个实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，rGO膜片的元素组成由上述量的碳和氧组成。
如上所述，本申请还涉及电背接触的导电还原氧化石墨烯(rGO)结构，其包含如先前定义的rGO膜片和在其上沉积rGO的附加导电支撑物。
出于本申请的目的，如本文所使用的术语“背接触”意指将rGO膜片放置在附加导电支撑物上，使得膜片的下表面与导电支撑物的表面之一接触。
附加导电层有助于降低本申请的rGO膜片的电性接入电阻。
在一个实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，附加导电支撑物是选自由金属、单层石墨烯(SLG)、少层石墨烯(FLG)和多层石墨烯(MLG)所组成的组。更特别地，附加导电支撑物是单层石墨烯(SLG)。SLG是可商购的。替代地，如示例中所示出的，它可以通过化学气相沉积在铜箔上生长。
可用作附加导电支撑物的金属示例包括但不限于铂、金、铱、钨、氧化铟锡、不锈钢、银、铜、镍和其的合金或组合。
先前描述的rGO材料的特定结构可以通过包括在膜上的氧化石墨烯的蒸发步骤或氧化石墨烯的过滤步骤以及随后转移到支撑物和材料的还原的方法来实现。
因此，它也形成本申请的一部分，如上定义的还原氧化石墨烯材料，其可通过包含水热还原GO膜片的方法获得，特别是在从100至240℃的温度下，在从105至4·108Pa的压力下，持续从1分钟至24小时的期间，在水的存在下。由此，本申请还涉及如上定义的水热还原的GO膜片。
如上所述，本申请还涉及如上定义的还原氧化石墨烯材料，其可通过包含以下步骤的方法获得：
i)通过多孔膜过滤氧化石墨烯(GO)溶液，从而在膜顶部形成GO膜片，其中特别是氧化石墨烯(GO)溶液是水溶液，溶液中氧化石墨烯(GO)的浓度为从0.001至5mg/mL，并且过滤体积为从5至1000mL；
ii)将GO膜片从膜转移到牺牲基材上，从而将GO膜片置于位在顶部的膜和位在底部的牺牲基材之间；
iii)去除膜，从而使GO膜片保持贴附在牺牲基材上；
iv)水热还原GO膜片以形成还原的GO材料(rGO)，特别是在从100至240℃的温度下，在从105至4·108Pa的压力下，持续从1分钟至24小时的期间，在水的存在下；和
v)从牺牲基材脱离rGO材料。
本申请的表述组成“可通过所述方法获得的”在本文中用于通过其制备方法来定义rGO材料并且是指能够通过包括如先前定义的步骤i)至v)的制备方法获得的rGO材料。出于本申请的目的，表述“可获得的”、“所获得的”和类似的等同表述可互换使用，并且在任何情况下，表述“可获得的”涵盖表述“所获得的”。
本申请还涉及用于制备如上定义的还原氧化石墨烯(rGO)膜片的方法，其包含如先前定义的步骤i)至v)。本申请的用于制备rGO膜片的方法的一个实施方案在图1中描述。
在上述方法的步骤i)中使用的起始氧化石墨烯(GO)是可商购的。氧化石墨烯含有高密度的氧官能团，像是在其底面上的羟基和环氧基，以及在其边缘处的羧基。虽然有一些关于替代电化学氧化的报导，但它主要是经由天然石墨的化学氧化来合成。
在一个实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，步骤i)的氧化石墨烯(GO)溶液是水溶液。更特别地，步骤i)中使用的氧化石墨烯(GO)溶液具有从0.001至5mg/mL的浓度。典型地，已过滤的GO溶液的体积从5到1000mL。
在另一实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，在步骤i)中使用的氧化石墨烯(GO)具有从0.5至1.0的典型碳氧比。碳氧比可以从X射线光电子光谱学(XPS)计算。
在另一实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，在步骤i)中使用的起始氧化石墨烯(GO)呈薄片形式，薄片宽度为>200nm并且<20μm，更特别地>500nm并且<20μm，并且薄片厚度为0.3-100nm。
在另一实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，在步骤i)中使用的多孔膜由选自由硝化纤维素组成的组的材料制成。
在步骤i)中使用的膜的孔应小于起始GO薄片的尺寸。通常，膜的孔径为0.025μm至200μm。
步骤i)的过滤可以在等于或低于大气压力的压力下进行，例如在从1至100KPa的压力下。由此，在一个实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，步骤i)在从1至100KPa的压力下，更特别地从1至10KPa。
作为过滤步骤i)的结果，在膜上形成GO膜片。在一个特定实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，一旦完成步骤i)，将膜片在室温下干燥2-10小时。
替代地，本申请的任何方法中的过滤步骤可以通过蒸发基材上的氧化石墨烯(GO)溶液来进行，其中特别地，溶液中氧化石墨烯(GO)的浓度为从0.001至5mg/mL，并且过滤体积为从5至1000mL。
与本申请的方法相关联的上述所有特定实施方案，用于制备rGO膜片或电背接触的导电还原氧化石墨烯(rGO)结构，所述特定实施方案包含过滤在膜上的氧化石墨烯(GO)溶液的步骤，特定实施方案也应用到相应方法，在所述相应方法中进行蒸发氧化石墨烯(GO)溶液的步骤，取代过滤在膜上的氧化石墨烯(GO)溶液。
在一个实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，在过滤步骤i)之后和步骤ii)之前，膜的背侧被水合。更特别地，为此目的使用湿纸。也可以使用其他溶剂，像是水，能够溶解与多孔膜直接接触的GO并且能够穿过膜而不损坏或溶解它。
取决于过滤的GO量，膜片的层数和厚度可能会改变，造成更高或更低的透明度。一般来说，当过滤较高的GO浓度时，会形成更多的层，结果为较少的透明度。相对于从400至1160nm的波长的总透射率，厚度超过200nm的膜片的光透射率低于大约5％。
在一个特定实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，在步骤i)之后和步骤ii)之前，将膜反转。在此情况下，最开始在顶部的GO膜片的表面变成了底部表面，并且所述表面是在接着的步骤中被放置为与牺牲基材接触的表面。
如本文所使用的术语“牺牲基材”意指被使用来保持本申请的还原氧化石墨烯材料并且随后被移除以产生无基材的还原氧化石墨烯材料的基材。
在步骤ii)中使用的牺牲基材可以是刚性的或挠性的。它可以导电或是不导电。取决于基材的性质，当本申请的还原氧化石墨烯材料进一步包含特别放置在GO膜片底部的导电材料的附加层时，它可以被用作最终基材。
在一个实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，在步骤ii)中使用的基材选自由SiO2晶圆、单层石墨烯(SLG)、少层石墨烯(FLG)、多层石墨烯(MLG)和导电金属化合物。可被用作基材的导电金属化合物的非限制性示例包括金属，例如铂、金、钛、铱、钨、不锈钢、银、铜、镍和其合金或组合，以及氧化铱、氯化银和氮化锡。更特别地，在步骤ii)中使用的基材是SiO2晶圆。可以使用的其他基材包括沉积在SiO2晶圆顶部的聚合物，诸如聚酰亚胺或聚对二甲苯C。沉积技术可以是旋涂或蒸发。
一旦如上所述将GO膜片置于基材上，膜可以可选地通过例如以空气/N2从不与GO膜片接触的一侧向基材吹气来干燥。典型地，为此目的，吹入空气/N2从1至60秒。
在一个特定实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，将GO膜片从膜转移到步骤ii)的牺牲基材上是通过将GO膜片贴附到与牺牲基材接触的膜来执行，从而将GO膜片置于位在顶部的膜和位在底部的牺牲基材之间，并以1-500Kg/cm2的压力压迫(例如在辊中)膜。
在步骤iii)中，去除膜，从而使GO膜片保持仅贴附在牺牲基材上。在另一特定实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，通过剥离膜来执行去除。
然后，在步骤iv)中水热还原基材上的GO膜片。还原在水的存在下进行，特别在高压釜中。碱(诸如NH3)或酸(诸如HNO3或HCl)也可能存在。在一个特定实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，水热还原在不存在任何碱或酸或除水之外的其他组分的情况下进行。典型地，在从100至240℃的温度下，在从105至4·108Pa的压力下，更特别地从105至106Pa的压力下，持续从1分钟至24小时的期间，更特别地从1分钟至20小时的期间，进行还原。
即使在水的存在下进行还原，为了获得更高的产率，来自高压釜的水不与GO膜片直接接触也是有利的。由此，在一个实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，水热还原在密封容器中进行，更特别地在高压釜内部的特氟龙衬里容器中，使得GO膜片不与水直接接触。
在另一实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，在从100至240℃的温度下，更特别地从100至150℃，并且甚至更特别地在大约134℃下，进行还原。
在另一实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，在从105至4·108Pa的压力下，更特别地从105至106Pa，并且甚至更特别地从100000至300000Pa，进行还原。
在另一实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，水热还原进行持续从1分钟至24小时的期间，更特别地从1分钟至20小时，甚至更特别地从1至6小时，并且甚至更特别地大约3小时。取决于在此步骤中使用的时间，并且作为化学还原的范围的结果，可以调节rGO的性质，特别是所得还原GO膜片的电容。
最后，为了获得隔离的rGO膜片，将其从基材上分离。这可以通过将还原的GO材料(rGO)浸入水中并恢复漂浮的还原GO材料(rGO)来完成。
在特定实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，本申请还涉及用于制备如上定义的还原氧化石墨烯(rGO)膜片的方法，其包含以下步骤：
a)通过多孔膜过滤氧化石墨烯(GO)溶液，从而在膜顶部形成GO膜片，其中特别是氧化石墨烯(GO)溶液是水溶液，溶液中氧化石墨烯(GO)的浓度为从0.001至5mg/mL，并且过滤体积为从5至1000mL；
b)将膜片干燥；
c)使膜的背侧含水；
d)将膜反转；
e)将GO膜片从膜转移到牺牲基材上，从而将GO膜片置于位在顶部的膜和位在底部的牺牲基材之间；
iii)去除膜，从而使GO膜片保持贴附在牺牲基材上；
iv)水热还原GO膜片以形成还原的GO材料(rGO)，特别是在从100至240℃的温度下，在从105至4·108Pa的压力下，持续从1分钟至24小时的期间，在水的存在下；和
v)从牺牲基材脱离rGO材料。
为了制备具有附加导电层的rGO材料以形成如上定义的电背接触的导电还原氧化石墨烯(rGO)结构，假设使用附加导电层取代牺牲基材，可以使用类似于先前描述方法的方法，先前描述方法包含包括步骤i)至iv)。在这种情况下，不需要进行步骤v)(去除基材以脱离rGO材料)。
由此，在一个实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，如上定义的电背接触的导电还原氧化石墨烯(rGO)结构可通过包含以下步骤的方法获得：
i')通过多孔膜过滤氧化石墨烯(GO)溶液，从而在膜顶部形成GO膜片，其中特别是氧化石墨烯(GO)溶液是水溶液，溶液中氧化石墨烯(GO)的浓度为从0.001至5mg/mL，并且过滤体积为从5至1000mL；
ii’)将GO膜片从膜转移到附加导电支撑物上，从而将GO膜片置于位在顶部的膜和位在底部的附加导电层之间；
iii’)去除膜，从而使GO膜片保持贴附在附加导电支撑物上；和
iv')水热还原GO膜片以形成还原的GO材料(rGO)，特别是在从100至240℃的温度下，在从105至4·108Pa的压力下，持续从1分钟至24小时的期间，在水的存在下。
替代地，具有附加导电层的rGO材料可以通过包含步骤i)至v)的上述方法制备，然后将石墨烯材料贴附至附加导电层，或是通过包含步骤i)至iv)的上述方法制备，然后将石墨烯材料转移到附加导电层并去除牺牲基材。
用于制备rGO膜片的与所述方法相关联的上述特定实施方案也应用到用于制备电背接触的导电还原氧化石墨烯(rGO)结构。
在特定实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，电背接触的导电还原氧化石墨烯(rGO)结构在电解质系统中被电激活，更特别地在水溶液环境中。这种激活包含将材料置于电解质中并通过材料/电解质接口发送电信号。这样的优点是提高了导电率和接口电容，同时降低了接口阻抗。典型地，此方法可以在电极的不可逆损坏的情况下应用，直到能够注入高达10mC/cm2，具体取决于rGO膜片的厚度。
如上所述，具有高电荷注入性质的还原氧化石墨烯(rGO)材料可被用于制造电子装置，更特别地可植入装置，诸如微电极。因此，它也形成本申请的一部分，用于侦测、接收和/或引发电信号的电子装置，包含还原氧化石墨烯(rGO)膜片或电背接触的导电还原氧化石墨烯(rGO)结构。
在一个实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，如上定义的电子装置是神经电极，更特别地微电极。更特别地，微电极为圆形并且具有从1至300微米的直径。
可被用作神经接口的电子装置(可植入和不可植入)的示例包括但不限于皮层电极(用于术中大脑映射)、视网膜植入物(用于改善视力)、脊髓刺激器(用于慢性疼痛)、深度脑刺激(DBS)植入物(用于帕金森)、人工耳蜗(Cochlear)植入物(用于改善听力)、迷走神经刺激器(VNS)(用于癫痫)、骶神经刺激器(用于大小便控制的神经调节)等。
在一个实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，如上定义的电子装置包含以导电导线图案化的挠性基材以及顶部具有开口的封装(也命名为钝化层或绝缘层)，所述挠性基材例如金属，像是金、铂或诸如氧化铟锡的其他导体，rGO膜片或电背接触的基于rGO的导电材料沉积在所述挠性基材上。钝化层覆盖导电导线并使石墨烯电极层暴露在外。
出于本申请的目的，术语“挠性”是指装置被弯曲而不断裂或裂开的能力。在一个实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，挠性基材由聚酰亚胺或聚对二甲苯C制成。
在另一实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，封装层由聚酰亚胺、聚对二甲苯C或SU8(例如SU-8 2000，Microchem)制成，封装层的制备材料为高对比度、基于环氧树脂的为了微机械加工和其他微电子应用而设计的光刻胶。
如上定义的电子装置可以具有不同的形状。由此，可以为每个特定应用选择合适的形状。在一个实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，如上定义的可植入电子装置具有圆形、六边形或环形横截面。
在特定实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，如上定义的电子装置的厚度为10至30μm。
多个电极可以形成为电极阵列。由此，在另一实施方案中，可选地结合上述或下述的各种实施方案的一个或多个特征，如上定义的电子装置是微电极阵列。所述阵列典型地可以包括从4至256个微电极，更特别地，具有直径范围为从5至100微米的圆形微电极。微电极可以间隔开一段电极间距离，所述电极间距离典型地可以在从10至300微米范围内。
电子装置可以通过包括以下步骤的方法制造：定义金属基材，可选地在金属(可选的)上沉积SLG以转移附加导电层，如先前所述的GO膜片制备和转移(上/下)，定义含有微电极的石墨烯，如先前所公开的钝化和水热还原嵌入在装置中的GO膜片。
在一个实施方案中，电子装置可以通过包含以下步骤的方法制造：
a)使用标准光刻方法以光刻胶将第一基材(诸如SiO2晶圆)图案化以打开所需图案，例如在光刻胶中具有大约25微米直径的圆形图案；
b)在步骤a)的第一基材上蒸发一层铬、钛和/或金；
c)去除光刻胶，例如通过将晶圆浸入丙酮中，然后浸入异丙醇中；
d)将步骤c)的第一基材吹干；
e)可选地转移如先前定义的附加导电层，例如SLG，至步骤d)的第一基材上；
f)通过多孔膜过滤氧化石墨烯(GO)溶液，从而在膜顶部形成GO膜片，其中特别是氧化石墨烯(GO)溶液是水溶液，溶液中氧化石墨烯(GO)的浓度为从0.001至5mg/mL，并且过滤体积为从5至1000mL；
g)将GO膜片从膜转移到步骤e)的导电层上；从而将GO膜片置于位在顶部的膜和位在底部的导电层之间；
h)去除膜，从而使GO膜片保持贴附在导电层上；
i)通过使用光刻和反应离子蚀刻的组合来定义含有石墨烯的微电极的面积；
j)旋涂钝化层，例如聚酰亚胺；并且固化它以使金属接触点电性绝缘；
k)以光刻反应离子蚀刻穿过钝化层来图案化并打开微电极区域；
l)水热还原步骤k)的微电极，特别是在从100至240℃的温度下，在从105至4·108Pa的压力下，持续从1分钟至24小时的期间，在水的存在下。
与用于制备非晶质rGO膜片的方法相关联的上述特定实施方案也应用到用于制备电子装置的方法。
遍及说明书和权利要求书，词语“包含”及所述词语的变体不旨在排除其他技术特征、附加物、组分或步骤。此外，词语“包含”涵盖“由…所组成”的情况。本申请的另外目的、优点和特征对本领域技术人员来说在检查说明书时将变得显而易见，或者可以通过本申请的实行而得知。以下示例和附图以说明的方式提供，并且它们不旨在限制本申请。此外，本申请覆盖本文描述的特定和优选实施方式的所有可能组合。
示例
本申请的膜片的形态特征和化学特征
用于本申请的膜片的所有特征研究的基础基材是正方形(1x1cm2)的Si/SiO2(400μm/1μm)。
XPS
XPS测量以Phoibos 150分析仪(SPECS GmbH，柏林，德国)在超高真空条件(基础压力5·10-8Pa)下以单色铝KαX射线源(1486.74eV)执行。以50eV的通过能量和1eV的步尺寸获得概观光谱，并且以20eV的通过能量和0.05eV的步尺寸获得高分辨率光谱。通过测量溅射银的Ag 3d5/2峰的FWHM确定，在那些最后条件下的总体分辨率为0.58eV。
XRD
在来自Malvern PANalytical的材料研究衍射仪(MRD)中执行XRD测量(θ-2θ扫描)。此衍射仪具有四圆几何形状的水平Ω-2θ测角仪(320mm半径)，并且其与带有Cu Kα阳极
Figure BDA0003316394550000151
的陶瓷X射线管一起工作。使用的侦测器是Pixcel，其为一种基于Medipix2技术的快速X射线侦测器。
TEM
以Helios NanoLab DualBeam(LMA-INA，萨拉戈萨)制备FIB片，用于EGNITE样品的横截面研究。使用在200kV下操作的TECNAI F20 TEM，包括HRTEM和HAADF-STEM技术，通过透射电子显微镜执行结构分析。
STEM-EELS
在Tecnai F20显微镜下执行STEM-EELS实验，以200KeV的电压、5mm的光圈、30mm的相机长度、12.7mrad的会聚角以及87.6mrad的收集角工作。由于我们在芯损耗收集中使用0.5eV/px和250eV作为起始能量，我们没有获得预期在1839eV处的Si k-边缘、在2122eV处的Pt M-边缘以及在2206eV处的Au M-边缘。已经获得相对的C-O原子组成，将我们的注意力集中在GO层，并且假设所分析的边缘(在我们的情况中为C和O)总和为100％。如在SI图谱中所证明的，此假设在我们的情况中是有效的。已经使用Hartree-Slater模型计算能量微分横截面，并且使用低功率模型计算背景。
示例1-SiO2上的水热还原氧化石墨烯膜片(HTrGO)
水热还原氧化石墨烯膜片在三步中合成：
步骤1：过滤。通过孔径为25nm的硝化纤维素膜(VSWP04700，MF-MilliporeTM膜过滤器，亲水性，0.025μm，47mm，白色，平坦)来过滤20mL的0.15mg/mL的氧化石墨烯(GO)水溶液(使用N002-PS-1.0氧化石墨烯溶液，Angstron Materials，所述GO典型为表现出在0.5和1.0之间的C/O比)。名义上，GO溶液含有554nm宽(平均x-y横向维度)和1-1.2nm厚(平均z维度)的薄片。过滤产生在膜顶部的1500nm厚的GO膜片。过滤方法使用能够产生10KPa真空的泵。
步骤2：转移。此后，使用每cm2中1ml的去离子水使硝化纤维素膜的背侧再次含水。接着，将膜放置抵靠SiO2晶圆(MicroChemicals GmbH)，GO膜片位于其间。从膜侧吹氮气30秒，并且通过施加20kg/cm2至少1秒来压迫膜-GO膜片-SiO2。在此步骤之后，将膜从所述SiO2剥离，并且GO膜保持贴附在SiO2晶圆上。
步骤3：还原。然后，将带有GO膜片的SiO2晶圆置入高压釜中，并且在135℃下水热还原3小时。
如上所述制备的膜片表现出以下特征：
-通过XPS示出的还原GO(图4a和4b)
示例2-具有附加导电支撑物(单层石墨烯)的水热还原氧化石墨烯膜片(HTrGO)
通过化学气相沉积在铜箔(Alfa Aesar涂覆)上生长单层石墨烯(SLG)。将铜箔装入由三区烘箱加热的平面石英管(长度：1600mm，内径：60mm)中。在10000Pa(10KPa)处并在400sccm的氩气流下，在1015℃下进行第一退火步骤1小时，随后在1000sccm的氩气、200sccm的氢气和2sccm的甲烷的混合气体下，在1200Pa(1.2KPa)下进行15分钟的生长步骤。
使用湿化学方法将石墨烯从铜箔转移到SiO2基材上。首先，将聚(甲基丙烯酸甲酯)PMMA A2(MicroChem)沉积在石墨烯/铜箔上并使其干燥12小时。随后，蚀刻背侧石墨烯。为达成此目的，将样品放置在由FeCl3/HCl(0.5M/2M)组成的蚀刻剂溶液的表面上2分钟。然后以水冲洗样品侧的背面。将样品放置在蚀刻剂溶液上以去除铜至少6小时。然后将样品在水中清洗数次，并且转移到SiO2晶圆上。晶圆在热板上在40℃下干燥30分钟，然后在真空烘箱中逐渐上升至180℃再退火。最后，将PMMA溶解在丙酮和异丙醇中。
如示例1的步骤1和2中所述来制备并转移GO膜片，其中SiO2晶圆被本示例中所述的SLG/SiO2堆叠取代。所使用的转移方法是在Hébert,et al.,Advanced FunctionalMaterials,Vol.28(2018年3月)中所述的方法。最后，将GO/SLG/SiO2晶圆置入高压釜中，并且在135℃下水热还原3小时。
HTrGO的结构性质如示例1；然而，膜片在此情况中被置于导电透明层(SLG)上。
示例3-基于HTrGO/SLG堆叠(EGNITE)的微电极
如示例2中所述的生长单层石墨烯(SLG)。
如下将金属微电极定义在SiO2晶圆上。首先，使用标准光刻方法以光刻胶(AZ5214MichroChemicals GmbH)将晶圆图案化；在光刻胶中打开了具有25微米的直径的圆形图案。此后，将一层铬(10nm)/金(200nm)蒸发到晶圆上。此后，通过将晶圆浸入丙酮中；然后浸入异丙醇中，最后将晶圆吹干，来去除光刻胶。然后，如在示例2中所述，将SLG转移到带有微电极的晶圆上。如在示例1的步骤1和2中所述，将过滤后的GO膜片转移到SLG上，其中SiO2晶圆现在被在示例2中所述的SLG/SiO2堆叠取代。此时，通过使用光刻和反应离子蚀刻的组合来定义含有石墨烯的微电极的面积。接着，旋涂并固化聚酰亚胺PI 2611(HDMicroSystems)的钝化层以电性绝缘金属触点。然后，以光刻法图案化微电极区域并且以反应离子蚀刻穿过聚酰亚胺来打开。
最后，将含有GO/SLG/金属微电极的晶圆置入高压釜中，并在135℃下水热还原3小时。
使用三电极配置以SP-200Bio-Logic恒电位仪在0.5M的磷酸盐缓冲溶液(PBS)中表征25微米直径的电极的电化学性质。工作电极连接到石墨烯微电极，对应电极(counterelectrode)是大的铂导线并且参考电极是Ag/AgCl。
循环伏安法特征(在-0.9V和+0.9V之间)公开了具有1.8V的宽电位窗口的准理想电容行为。由这些测量，获得50mF/cm2的电容(通过25微米直径的电极的几何面积来进行标准化)和40mC/cm2的电荷储存电容(CSC)。表面积与体积比(SAVR)为2·109m-1。
为了研究电荷注入极限，将电流脉冲实验体(1ms的脉冲宽度)注入微电极。此测量证明可以注入8mC/cm2的电荷注入极限，而不会违反电化学电位窗口的安全限制。
微电极的电化学阻抗光谱学公开了在1kHz的频率处的20kΩ的阻抗。
示例4-基于HTrGO/SLG堆叠的挠性微电极阵列
制备了64个微电极阵列，以8x8矩阵排列，覆盖1.44mm2的总面积。微电极的直径为25μm，彼此间隔300μm。
首先，将10μm厚的聚酰亚胺层(PI，PI 2611 HD MicroSystems)旋涂并固化在SiO2晶圆的顶部。在所述基材PI层上，通过光刻和电子束金属蒸发对金导线(由Ti和Au的双层组成，10nm的Ti和200nm的Au)进行图案化。随后是SLG和GO膜片转移，以及它们通过光刻和反应离子蚀刻进行的图案化。接着，在微电极上具有开口的PI的钝化层防止了导线的任何泄漏。然后，通过切割基材和PI的钝化层，使用光刻和反应离子蚀刻的组合来图案化装置的边缘。最后，将装置从SiO2晶圆剥离并置入无菌小袋内部在高压釜中135℃下3小时。
在挠性阵列中微电极的电化学性质(电荷储存电容、电荷注入极限和阻抗)与在针对所制造的个别微电极的示例3中报导的电化学性质相同。
示例5-具有附加导电支撑物(金)(EGNITE)的基于HTrGO的挠性微电极阵列。
装置是在4英寸的Si/SiO2(400μm/1μm)的晶圆上制造的。首先，在晶圆上旋涂10μm厚的聚酰亚胺(PI-2611，HD MicroSystems)层，并在富含氮气的气氛中在350℃下烘烤30分钟。使用图像反转光刻胶(AZ5214，Microchemicals GmbH，德国)的光刻将金属轨迹图案化。使用电子束蒸发以沉积20nm的Ti和200nm的Au。
如在示例1的步骤1和2中所述来制备并转移GO膜片，其中SiO2晶圆以金聚酰亚胺氧化硅取代，然后使用100nm厚的铝掩模建构膜片。特别地，铝柱被电子束蒸发并经由通过使用负性光刻胶(nLOF 2070，Microchemicals GmbH，德国)而被剥离来被定义在未来的微电极的顶部。接着，除了未来的微电极之外，使用氧反应离子蚀刻(RIE)在500W下蚀刻GO膜片每个地方5分钟。保护性铝柱随后以磷酸和硝酸的稀释溶液蚀刻。在此步骤中得到的GO膜片完全位于电导体基材的顶部。之后，将3μm厚的PI-2611层沉积在晶圆上并如同之前一样来烘烤。然后使用正性厚光刻胶(AZ9260，Microchemicals GmbH，德国)定义微电极上的PI-2611开口，所述正性厚光刻胶作为用于后续氧RIE的掩膜。之后，再次使用AZ9260光刻胶和RIE在PI层上将装置图案化。然后在丙酮中去除光刻胶层，并且在异丙醇中清洁晶圆以及干燥。最后，将装置从晶圆剥离，置于无菌小袋中并在标准高压釜中在134℃下水热还原3小时。
如上所述制备的膜片表现出以下特征：
-具有大约1500nm的总厚度的膜片，包含rGO层的堆叠(见图2A)；
-对于25x25μm2的面积，大约55nm的平方根平均粗糙度(图2B)
-被HRTEM(图3a-d)和XRD(图3e)公开的大约0.4nm的交叠间距
-对于20x20μm2的面积，拉曼光谱中的D-G比为1.14，指出有缺陷的碳材料(见图3f)。
-大约为0.2Ω·cm的电阻率(图4c)
-从EELS-EDX推断出的膜片主体的元素组成为超过85％的碳和低于15％的氧(图5)。
示例6-嚙齿动物的皮层活性的体内记录
本段呈现示例4的微电极阵列以低噪声记录体内神经活动的适用性。为此，将含有根据本申请的微电极阵列的挠性微脑皮层电图(μECoG)装置置于听觉皮层的表面上，同时呈现听觉刺激以记录此区域的神经生理活动(图6(a))。
所使用装置的设计。使用了两种挠性微脑皮层电图装置：一种基于本申请的阵列(指定为EGNITE)，另一种基于铂(Pt)。两种装置均由64个微电极的挠性阵列组成。本申请的微电极的直径为25μm，同时Pt电极的直径为60μm。微电极之间的间隔对于本申请的阵列是300μm，对于Pt的阵列是500μm。
所使用装置的制造。如示例4中所解释的来制造根据本申请的装置。基于Pt的装置是商购取得的(E64-500-20-60，NeuroNexus，美国)。
所使用装置的表征。在开始实验之前，在1kHz下测量了两个阵列的阻抗。针对根据本申请的装置获得55±15kΩ的中值阻抗，同时针对Pt阵列获得650±200kΩ(图6b)。
体内神经记录设定和协议。接着，微脑皮层电图(μECoG)装置被不同时置于嚙齿动物的听觉新皮层上(图6(c)中根据本申请的装置)并且显示8kHz的纯音调。神经生理信号被放大、多路复用、数字化并且在0.1Hz处进行高通滤波。
体内神经记录结果。图6(d)和(e)分别示出了通过根据本申请的装置和Pt装置记录的信号。在它们两者上，在音频信号启动后大约30ms，可侦测到相对于基线达到大约500μV的幅度的诱发局部场电位(LFP)。只有本申请的微电极在音频信号的偏移上记录了LFP，这可能是由于其定位在听觉皮层上。在尸体解剖后的条件下电极的固有噪声示出分别在图6(d)和(e)中针对根据本申请的装置并且也针对Pt的装置的重叠在诱发的LFP上。在根据本申请的装置的情况下，它具有12μV的峰对峰幅度，同时Pt达到了15μV。
可以进一步探索根据本申请的装置的记录能力并与Pt研究来自体内和尸体解剖后信号的功率光谱强度(PSD)(图6(f))进行比较。从尸体解剖后数据的分析，当PSD在10Hz和10kHz之间积分时，相较于对于Pt的3.2μV，对于根据本申请的装置获得2.9μV的rms噪声。体内数据的PSD研究指出，在20Hz和10kHz之间，本申请的微电极能够比Pt电极捕获更多的神经生理数据。此现象也可以在图6(g)中观察到，其中使用体内和尸体解剖后信号计算信噪比(SNR)。在那里，由于本申请的微电极相对于Pt的较低固有噪声，根据本申请的装置的SNR在从2Hz至2kHz内优于Pt一个数量级，并且在2-8kHz的范围内达到5倍。
示例7-大鼠体内神经活动刺激
本段呈现根据本申请的微电极将被用于针对选择性神经刺激的可植入神经假体装置中的适用性。为此，在急性实验中，示例4的微电极阵列被制造并且被横向植入大鼠的坐骨神经中。所述装置选择性地刺激神经内不同束中的轴突子集，同时通过肌电图(EMG)信号记录足底(PL)、腓肠肌(GM)和胫骨前(TA)肌肉的激活(图7(a))。
所使用装置的设计。植入物由长的挠性和可折叠条带组成，所述植入物在顶部具有根据本申请的18个微电极，每个微电极的直径为25μm。以将18个微电极分布在由9个电极分成的2个阵列中的方式，将条带折叠成V形，每个阵列面向条带的一侧。这样，2个阵列中的每一个都跨越1.2mm的总长度，所述长度类似于大鼠的坐骨神经的直径。
所使用装置的制造。如示例4中所解释的来制造所述装置。
所使用装置的表征。在开始植入之前，对微电极进行了表征，证明其适用于以400μA的双相脉冲和100μs/相位的持续时间以及55±15kΩ的平均阻抗来可靠地注入8mC/cm2。
体内神经刺激设定和协议。接着，将所述装置以使9个微电极的2个阵列穿过反应PL、GM和TA肌肉的神经支配的束或子束(图7(b,C))这样的方式，束内植入麻醉大鼠的坐骨神经。此后，通过每个微电极将电刺激注入神经，并且通过插入GM、PL和TA肌腹的单极针来监测在三块肌肉中的每一个中引发的复合肌肉动作电位(CMAP)的幅度。将测量的幅度标准化为先前通过使用坐骨神经中的不锈钢针电极在超最大强度下进行外部刺激所获得的最大CMAP幅度。刺激由100个双相脉冲串组成，具有增加范围从0至100μA的电流幅度，所述刺激针对放置在神经近端的外部参考电极。
体内神经刺激结果。作为触发刺激的结果，所有三块肌肉，PL、GM和TA都表现出收缩(图7(d,e))。由于信号沿神经的传输时间，刺激和肌肉反应之间的延迟大约为20ms。肌肉反应随着注入电流的幅度而增加，仅在高于特定阈值时发生.连续注入高于阈值的电流最终导致肌肉收缩饱和(图6)。达成低阈值是为了最小化组织中的可能损伤的主要要因。将以根据本申请的装置获得的阈值和文献相比(表1)，出现以根据本申请的微电极(EGNITE)执行的刺激在所有情况下都可以将先前报导的针对5％和95％的最小激活阈值皆降低2至3倍。
表1.针对5％和95％的超最大肌肉反应的激活阈值
Figure BDA0003316394550000191
示例8-生物相容性研究
基材上的蛋白质吸附
将热灭活的胎牛血清(FBS；Sigma-Aldrich,Merck Sigma,英国)滴抛(150μL)在不同基材(即示例5的EGNITE；聚(3,4-乙烯基二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐，PEDOT：PSS，以下命名为PEDOT；或组织培养聚苯乙烯，TCPS)上重复四次。在室温下孵育4小时后，吸出过量的FBS，并以PBS(Sigma-Aldrich，Merck Sigma，英国)洗涤所述基材两次以去除未吸附的蛋白质。然后将样品在室温下与1％的十二烷基硫酸钠(Sigma-Aldrich，Merck Sigma，英国)在蒸馏水(Millipore，Merck，英国)中孵育30分钟以使已吸附的蛋白质解除吸附。根据制造商的说明书，使用Pierce BCA测定试剂盒(Thermo Fisher Scientific，英国)和分光光度法读板机(Fluostar Omega，BMG Labtech，英国)在562nm处针对吸光度测量进行运作，对总蛋白质含量进行定量。根据获得的结果，预测细胞在基材上贴附和增生的能力，EGNITE和TCPS(组织培养聚苯乙烯，参考物)之间没有显著差异。
神经元细胞培养
人神经母细胞瘤细胞(SH-SY5Y(
Figure BDA0003316394550000192
CRL-2266TM)，LGC标准，英国)在补充有20mM的谷氨酰胺(Sigma-Aldric，Merck Sigma，英国)、10％的FBS(Gibco，Thermo FisherScientific，英国)、1000单位的青霉素和1mg/mL的链霉素(Sigma-Aldrich，Merck Sigma，英国)的DMEM:F12细胞培养基(Sigma-Aldrich，Merck Sigma，英国)中并在37℃下在5％的CO2的加湿培养箱中(NuAire，美国)维持。当细胞达到80％汇合时，使用0.05％的胰蛋白酶-EDTA溶液(Sigma-Aldrich，Merck Sigma，英国)每周进行细胞传代两次。所有实验均使用传代次数低于20的细胞完成。
细胞活性测定
SHSY5Y细胞以每个基材50000个细胞(即示例5的EGNITE；PEDOT；TCPS)接种在12孔板(最终体积1mL；Corning，美国)中。通过向TCPS孔上细胞生长培养基中加入10％的DMSO来建立细胞死亡的阳性对照。细胞在不同基材上生长24小时后，通过将刃天青钠盐(Sigma-Aldrich，Merck Sigma，英国)溶解在PBS中以制成0.15mg.mL-1(10X溶液)而获得无菌过滤的刃天青溶液，每孔加入无菌过滤的刃天青溶液以达到10倍稀释。在37℃下孵育2小时之后，将150μL的细胞培养上清液转移到黑色96孔板(Greiner Bio-one，德国)，同时吸出剩余的培养基，以PBS洗涤细胞，加入新鲜完整的细胞培养基，并且细胞在37℃下孵育下一个时间点。使用Fluostar Omega读板机(BMG Labtech，英国)在560nm的激发波长和590nm的发射波长下测量来自96孔板的荧光。将荧光值标准化为TCPS样品的平均荧光。细胞在不同基材上生长48小时后，执行相同的程序。使用在48小时的剩余细胞执行细胞计数(台盼蓝测定)。
细胞计数测定
SHSY5Y细胞以每个基材50000个细胞(即示例5的EGNITE；PEDOT；TCPS)接种在12孔板(最终体积1mL；Corning，美国)中。加入到在TCPS基材上生长的细胞中的10％的DMSO用作此测定中的阳性对照。细胞生长48小时后，抛弃上清液，以PBS(Sigma-Aldrich，MerckSigma，英国)洗涤细胞两次，然后加入胰蛋白酶-EDTA溶液(0.05％；Sigma-Aldrich，MerckSigma，英国)以使细胞脱离。接着将细胞悬液的等分试样与台盼蓝(0.4％；Thermo FisherScientific，英国)的无菌溶液以1:1混合，然后使用血细胞计数器(BRAND计数室，改善型BLAUBRAND Neubauer)执行细胞计数。
细胞毒性测定
SHSY5Y细胞以每个基材50000个细胞(即示例5的EGNITE，PEDOT；或TCPS)接种在12孔板(最终体积1mL)中。加入到在TCPS基材上生长的细胞中的10％的DMSO用作此测定中的阳性对照。为了评估细胞毒性，执行乳酸脱氢酶(LDH)测定的修改版本(CytoTox96非放射性细胞毒性测定，Promega LDH测定试剂盒)。简言之，吸出上清液培养基，并且以PBS洗涤细胞两次。然后将在孔底部的活细胞以200μL的裂解溶液(Triton X(Sigma Aldrich)，在水中为0.9％)在37℃下裂解45分钟。细胞裂解物(50μL)与LDH反应溶液以1:1混合。混合物在室温下孵育15-20分钟，直到出现稳定的红色，然后将50μL的终止溶液加入到每个孔中。然后使用Fluostar Omega读板器(BMG Labtech，英国)在490nm处测量孔的吸光度。相对于TCPS对照来表示吸光度值。
上述实验示出，在EGNITE膜片上培养48小时后，相对于TCPS增加了活性和细胞增生。
EGNITE上的初级海马区神经元生长
从三天大的新生大鼠脑(REF Pacific)中提取的海马回制备原代神经元细胞培养物。新生动物的处死是根据1986年英国动物(科学程序)法案和ARRIVE指南执行的，随后得到英国内政部的道德批准，项目证号为P089E2E0A。在确定活细胞的数量后，细胞涂覆在玻璃盖玻片或示例5的EGNITE上，两者均以50μg/mL的聚-L-赖氨酸预涂覆，细胞前3天以每个基材40000个细胞的密度在无血清神经基础培养基(Gibco，Thermo Fisher Scientific，英国)中，所述无血清神经基础培养基含有B27补充剂(Gibco，Thermo Fisher Scientific，英国)、1000单位的青霉素和1mg/mL的链霉素(Sigma-Aldrich，Merck Sigma，英国)，以及0.5mM的谷氨酰胺(Sigma-Aldrich，Merck Sigma，英国)。培养物在37℃下在5％的CO2的加湿培养箱(NuAire，美国)中维持14天；每三天更换孔的一半体积。
细胞免疫染色
培养后，SHSY5Y和原代神经元皆以PBS(Sigma-Aldrich，Merck Sigma，英国)洗涤三次，然后在室温下以含有4％的PFA(Sigma-Aldrich，Merck Sigma，英国)PBS溶液固定10分钟。然后，已固定的细胞以在PBS中稀释的0.1％Triton X(Sigma-Aldrich,Merck Sigma,英国)使其增加通透性5分钟，然后以含有5％的山羊血清(Sigma-Aldrich,Merck Sigma,英国)的PBS溶液封闭1小时。然后将细胞与一抗溶液在室温下孵育2小时(β-III微管蛋白，ABCAM ab1827，兔，以1:200使用)。与一抗一起孵育之后，以PBS洗涤细胞3次，然后与二抗在室温下孵育1小时(与CY3偶联的抗兔，Jackson 111-165-144，以1:100使用)。染色后，细胞被彻底洗涤，然后以玻璃盖玻片封固在含有DAPI的Prolong Gold Antifade封固剂(Invitrogen，Thermo Fisher Scientific，英国)中。据观察，与PEDOT:PSS或TCPS相比，EGNITE上的细胞分布更广、更健康且数量更多。
β-III微管蛋白免疫反应性的显微镜成像
共聚焦激光扫描显微镜在Zeiss LSM 880(系统显微镜中心，曼彻斯特生物成像设施，生物、医学和健康学院，曼彻斯特大学)上执行。使用1AU的针孔和2％的激光能量来捕获图像。图像处理是使用Zeiss LSM软件包执行事后处理。显示的图像是10个共焦切片的最大强度投影；比例尺为100μm。
根据所获得的结果，培养14天后，在EGNITE上生长的神经元形成了一个由良好地个体化和分支化的神经元形成的网络，同时在玻璃盖玻片上生长的神经元往往会聚集，并且它们的延伸部分会成束。
统计分析
使用Graphpad Prism软件的Mann-Whitney U检验适用于所有体外细胞培养测定。对于所有实验，p值显示为：(*)p<0.05；(**)p<0.01；(***)p<0.005；(****)p<0.0001。
引用列表
-Hébert,et al.,“Flexible Graphene Solution-Gated Field-EffectTransistors:Efficient Transducers for Micro-Electrocorticography”,AdvancedFunctional Materials,Vol.28(12),(March 2018).
-Badia,et al,“Comparative analysis of transverse intrafascicularmultichannel,longitudinal intrafascicular and multipolar cuff electrodes forthe selective stimulation of nerve fascicles”,J Neurl Eng,June 2011.
-Taer,E.,et al.,“The Relationship of Surface Area to Cell Capacitancefor Monolith Carbon Electrode from Biomass Materials for SupercapacitorAplication”,Journal of Physics:Conference Series,Volume 1116,Issue 3
-Hess,Lucas H.et al.,“Graphene Transistors for Bioelectronics.”Proceedings of the IEEE|Vol.101,No.7,July 2013).

Claims (21)

1.一种总厚度为从20nm至5微米的还原氧化石墨烯(rGO)膜片，其包含rGO层的堆叠，所述rGO层包含薄片，其中两个连续层之间的间距为从0.2至0.7nm，其中所述还原氧化石墨烯(rGO)膜片可以通过包含以下步骤的方法获得：
i)通过多孔膜过滤氧化石墨烯(GO)溶液，从而在所述膜顶部形成GO膜片，其中所述氧化石墨烯(GO)溶液是水溶液，所述溶液中氧化石墨烯(GO)的浓度为从0.001至5mg/mL，并且过滤体积为从5至1000mL；
ii)将所述GO膜片从所述膜转移到牺牲基材上，从而将所述GO膜片置于位在顶部的所述膜和位在底部的所述牺牲基材之间；
iii)去除所述膜，从而使所述GO膜片保持贴附在所述牺牲基材上；
iv)水热还原所述GO膜片以形成还原的GO材料(rGO)，在从100至240℃的温度下，在从105至4·108Pa的压力下，持续从1分钟至24小时的期间，在水的存在下；和
v)从所述牺牲基材脱离所述rGO材料。
2.根据权利要求1所述的还原氧化石墨烯(rGO)膜片，其中两个连续层之间的间距为从0.3至0.5nm。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的还原氧化石墨烯(rGO)膜片，其中所述总厚度为从500至2000nm。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的还原氧化石墨烯(rGO)膜片，其中所述rGO层的堆叠包含从100至500000层的薄片。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的还原氧化石墨烯(rGO)膜片，其具有通过X射线光电子光谱学(XPS)测量的从0.8至2.0的碳氧比。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的还原氧化石墨烯(rGO)膜片，其示出X射线衍射光谱，其中在11±0.5处、σ＝4、角度2θ的峰在X射线衍射仪中以CuKα辐射
Figure FDA0003316394540000011
测量，非还原氧化石墨烯的特征实质上不存在，其中实质上不存在意指在11±0.5处的峰的面积/面积百分比等于或小于大约1％。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的还原氧化石墨烯(rGO)膜片，其示出在X射线衍射光谱中在23±0.5处、σ＝4、角度2θ的峰，所述峰在X射线衍射仪中以CuKα辐射
Figure FDA0003316394540000021
测量。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的还原氧化石墨烯(rGO)膜片，其中所述rGO膜片具有上表面和上部，并且所述rGO膜片的上表面针对25x25μm2的面积如通过原子力显微镜(AFM)所测量的，其平方根平均粗糙度为从1至200nm。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的还原氧化石墨烯(rGO)膜片，其示出针对20x20μm2的面积在拉曼光谱中等于或大于0.9的D-G比。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的还原氧化石墨烯(rGO)膜片，其示出大约从0.01至10Ω·cm的电阻率。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的还原氧化石墨烯(rGO)膜片，其元素组成基本上由其量等于或大于原子组成的大约80％的碳以及其量等于或小于原子组成的大约20％的氧所组成。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的还原氧化石墨烯(rGO)膜片，当在大约25微米直径的电极中实施时，其能够提供从2至10mC/cm2的电荷注入极限(CIL)，和/或在基于电解质的系统中在1kHz的频率下10至100kΩ的阻抗。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的还原氧化石墨烯(rGO)膜片，其具有从108至1010m-1的表面积与体积比(SAVR)。
14.一种电背接触的导电还原氧化石墨烯(rGO)结构，包含在权利要求1至13中任一项所定义的还原氧化石墨烯(rGO)膜片和在其上沉积rGO的附加导电支撑物，其中背接触意指将所述rGO膜片置于所述附加导电支撑物上，使得所述膜片的下表面与所述导电支撑物的表面之一接触。
15.根据权利要求14所述的电背接触导电结构，其中所述附加导电支撑物选自由金属、单层石墨烯(SLG)、少层石墨烯(FLG)和多层石墨烯(MLG)所组成的组。
16.一种制备如权利要求1至13中任一项所定义的还原氧化石墨烯(rGO)膜片的方法，其包含以下步骤：
i)通过多孔膜过滤氧化石墨烯(GO)溶液，从而在所述膜顶部形成GO膜片，其中所述氧化石墨烯(GO)溶液是水溶液，所述溶液中氧化石墨烯(GO)的浓度为从0.001至5mg/mL，并且过滤体积为从5至1000mL；
ii)将所述GO膜片从所述膜转移到牺牲基材上，从而将所述GO膜片置于位在顶部的所述膜和位在底部的所述牺牲基材之间；
iii)去除所述膜，从而使所述GO膜片保持贴附在所述牺牲基材上；
iv)水热还原所述GO膜片以形成还原的GO材料(rGO)，在从100至240℃的温度下，在从105至4·108Pa的压力下，持续从1分钟至24小时的期间，在水的存在下；和
v)从所述牺牲基材脱离所述rGO材料。
17.一种制备如权利要求14至15中任一项所定义的电背接触的导电还原氧化石墨烯(rGO)结构的方法，其包含以下步骤：
i')通过多孔膜过滤氧化石墨烯(GO)溶液，从而在所述膜顶部形成GO膜片，其中所述氧化石墨烯(GO)溶液是水溶液，所述溶液中氧化石墨烯(GO)的浓度为从0.001至5mg/mL，并且过滤体积为从5至1000mL；
ii’)将所述GO膜片从所述膜转移到所述附加导电支撑物上，从而将所述GO膜片置于位在顶部的所述膜和位在底部的所述附加导电层之间；
iii’)去除所述膜，从而使所述GO膜片保持贴附在所述附加导电支撑物上；和
iv')水热还原所述GO膜片以形成还原的GO材料(rGO)，在从100至240℃的温度下，在从105至4·108Pa的压力下，持续从1分钟至24小时的期间，在水的存在下。
18.根据权利要求16至17中任一项所述的方法，其中所述水热还原在高压釜内部的密封容器中进行并且所述GO膜片不与水直接接触。
19.一种用于侦测、接收和/或感应电信号的电子装置，其包含如权利要求1至13中任一项所定义的还原氧化石墨烯(rGO)膜片或是如权利要求14至15中任一项所定义的电背接触的导电还原氧化石墨烯(rGO)结构材料。
20.根据权利要求19所述的电子装置，其为神经电极。
21.根据权利要求19至20中任一项所述的电子装置，其包含以导电导线图案化的挠性基材以及顶部具有开口的封装层，所述rGO膜片或所述电背接触的导电rGO结构沉积在所述挠性基材上。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114804080A (zh) * 2022-04-14 2022-07-29 伊诺福科光学技术有限公司 一种低成本大面积制备石墨烯薄膜的方法

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140370274A1 (en) * 2013-06-12 2014-12-18 Research & Business Foundation Sungkyunkwan University Method of producing graphene using surfactant
CN105084355A (zh) * 2015-09-11 2015-11-25 四川大学 层间距可控的稳定氧化石墨烯膜及其制备方法
CN105542333A (zh) * 2015-12-15 2016-05-04 东华大学 一种还原氧化石墨烯复合薄膜及其制备方法
WO2017014343A1 (ko) * 2015-07-20 2017-01-26 한국기계연구원 신축성이 향상된 메타 계면 구조물 및 그 제조방법
CN106430161A (zh) * 2016-09-09 2017-02-22 浙江理工大学 一种基于双层屈曲结构的还原氧化石墨烯薄膜的心尖搏动传感器
CN106865537A (zh) * 2017-03-17 2017-06-20 吉林大学 一种高强度石墨烯基复合纸的制备方法
US20170182474A1 (en) * 2015-12-28 2017-06-29 Aruna Zhamu Integral 3D graphene-carbon hybrid foam and devices containing same
US20170221643A1 (en) * 2016-02-01 2017-08-03 Aruna Zhamu Supercapacitor electrode having highly oriented and closely packed graphene sheets and production process
CN107261857A (zh) * 2017-05-10 2017-10-20 四川大学 用于一价与多价金属离子分离的改性石墨烯膜及其制备方法
US20180034055A1 (en) * 2016-07-28 2018-02-01 University-Industry Foundation, Yonsei University Composite including porous graphene and carbon nanotube material
WO2018158761A1 (en) * 2017-03-01 2018-09-07 B.G. Negev Technologies And Applications Ltd., At Ben-Gurion University An electrode and an electrochemical capacitor comprising the electrode

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101465205B1 (ko) 2013-06-13 2014-11-25 성균관대학교산학협력단 방향족 작용기를 함유하는 계면활성제를 이용한 그래핀 제조 방법
US10214422B2 (en) * 2013-10-16 2019-02-26 Research & Business Foundation Sungkyunkwan University Interlayer distance controlled graphene, supercapacitor and method of producing the same
WO2016011124A1 (en) * 2014-07-17 2016-01-21 The Research Foundation For The State University Of New York Porous graphene based composite membranes for nanofiltration, desalination, and pervaporation
KR102314988B1 (ko) * 2014-12-26 2021-10-21 솔브레인 주식회사 용매 정제용 그래핀 멤브레인 필름과 그 제조방법 및 이를 이용한 용매 정제 시스템
JP6840476B2 (ja) * 2015-07-16 2021-03-10 株式会社半導体エネルギー研究所 蓄電装置の作製方法
EP3331823A1 (en) * 2015-08-06 2018-06-13 King Abdullah University Of Science And Technology Method for preparing microstructure arrays on the surface of thin film material
WO2017112575A1 (en) * 2015-12-22 2017-06-29 The Regents Of The University Of California Cellular graphene films
US20190224628A1 (en) * 2016-08-30 2019-07-25 Swinburne University Of Technology Porous Graphene-Based Films And Processes For Preparing The Films

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140370274A1 (en) * 2013-06-12 2014-12-18 Research & Business Foundation Sungkyunkwan University Method of producing graphene using surfactant
WO2017014343A1 (ko) * 2015-07-20 2017-01-26 한국기계연구원 신축성이 향상된 메타 계면 구조물 및 그 제조방법
CN105084355A (zh) * 2015-09-11 2015-11-25 四川大学 层间距可控的稳定氧化石墨烯膜及其制备方法
CN105542333A (zh) * 2015-12-15 2016-05-04 东华大学 一种还原氧化石墨烯复合薄膜及其制备方法
US20170182474A1 (en) * 2015-12-28 2017-06-29 Aruna Zhamu Integral 3D graphene-carbon hybrid foam and devices containing same
US20170221643A1 (en) * 2016-02-01 2017-08-03 Aruna Zhamu Supercapacitor electrode having highly oriented and closely packed graphene sheets and production process
US20180034055A1 (en) * 2016-07-28 2018-02-01 University-Industry Foundation, Yonsei University Composite including porous graphene and carbon nanotube material
CN106430161A (zh) * 2016-09-09 2017-02-22 浙江理工大学 一种基于双层屈曲结构的还原氧化石墨烯薄膜的心尖搏动传感器
WO2018158761A1 (en) * 2017-03-01 2018-09-07 B.G. Negev Technologies And Applications Ltd., At Ben-Gurion University An electrode and an electrochemical capacitor comprising the electrode
CN106865537A (zh) * 2017-03-17 2017-06-20 吉林大学 一种高强度石墨烯基复合纸的制备方法
CN107261857A (zh) * 2017-05-10 2017-10-20 四川大学 用于一价与多价金属离子分离的改性石墨烯膜及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
L. G. GUEX等: "Experimental review: chemical reduction of graphene oxide (GO) to reduced graphene oxide (rGO) by aqueous chemistry", 《NANOSCALE》, pages 9652 - 9571 *

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Publication number Publication date
KR102601906B1 (ko) 2023-11-14
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