CN114808193A - 一种植入式凝胶光电极及其制备方法 - Google Patents

一种植入式凝胶光电极及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于多功能复合探针材料制备技术领域，具体公开了一种植入式凝胶光电极及其制备方法，该方法包括：S1、配制高分子聚合物溶液作为皮层纺丝液；配制凝胶单体溶液作为第一种芯层纺丝液；配制碳基杂化纺丝液作为第二种芯层纺丝液；S2、纺丝液经双芯纺丝喷头挤出至凝固浴的水浴中，并设置紫外点光源，皮层纺丝液、第二种芯层纺丝液、第一种芯层纺丝液固化成型，再通过干燥、卷绕收集并经还原后，即得植入式凝胶光电极。本发明的制备方法具有连续、直径可控、力学性能可调的优点，制得的植入式凝胶光电极具有优异的光导特性、电导特性和可高度适配软组织的力学性能。本发明的制备方法适用于制备光电极，所制的光电极适用于光遗传学。

Description

一种植入式凝胶光电极及其制备方法
技术领域
本发明属于多功能复合探针材料制备技术领域，具体地说是一种植入式凝胶光电极及其制备方法。
背景技术
光遗传过程主要包括光刺激和电反馈：激光经光极由体外传输至目标组织，激发神经元的通道视紫红质-2(ChR2)等光敏蛋白的离子通道打开，进而改变细胞膜内外电位，产生的电生理可由电极探测后，传输至体外进行仪器分析。在上述过程中，光极与电极间距必须在神经元有效调控范围内，而传统分离式光、电极难以准确掌握作用距离。因此，光电极一体化集成，对于提高光遗传精确性、实现光刺激和电生理同步采集具有重要意义。
当前，商业化光电极主要有美国NeuroNexus公司的光遗传电极、BlackrockMicrosystems公司的Lotus Biochips硅神经探针等，其电极部分主要采用具有高电导性能的金属丝(铂、金等)或硅材料，光极部分则采用具有优异光学性能的玻璃光纤。然而，上述材料的力学性能(力学模量、弯曲刚度等)一般高出软组织5–7个数量级。这种光电极/组织界面力学性能的严重失配会导致两大严重后果：(1)诱发炎症反应，影响光遗传长效性。(2)导致器件位移，影响光遗传准确性。由此可知，构筑力学性能(力学模量和弯曲刚度等)与软组织匹配的一体化光电极,是减小排斥和免疫反应，并提高光电极功能稳定性的必要条件。
发明内容
本发明的目的，是要提供一种植入式凝胶光电极及其制备方法，构筑力学性能与软组织匹配的一体化光电极，减小排斥和免疫反应，并提高光电极功能稳定性。
本发明为实现上述目的，所采用的技术方法如下：
一种植入式凝胶光电极的制备方法，包括依次进行的以下步骤：
S1、配制质量分数为0.5wt.％～20wt.％的高分子聚合物溶液作为皮层纺丝液；配制质量分数为10wt.％～90wt.％的凝胶单体溶液作为第一种芯层纺丝液；配制质量分数为0.5wt.％～10wt.％的碳基杂化纺丝液作为第二种芯层纺丝液；其中，高分子聚合物为可湿纺成型的聚合物，凝胶单体溶液成分包括基体组分、亲水组分、引发剂组分和水，基体组分为双官能度聚乙二醇衍生物，亲水组分为丙烯酰胺衍生物；引发剂组分为光引发剂，碳基杂化纺丝液成分包括基体碳基材料、导电纳米填料和水，基体碳基材料采用氧化石墨烯、石墨烯和碳纳米管中的一种；导电纳米填料采用导电炭黑、Mxene和银纳米线中的一种，基体碳基材料与导电纳米填料的质量比为0.1～1:0～0.9。
S2、将皮层纺丝液、第一种芯层纺丝液和第二种芯层纺丝液经双芯纺丝喷头挤出至凝固浴的水浴中，并在距离喷丝口1mm～100mm处设置紫外点光源，皮层纺丝液和第二种芯层纺丝液在凝固浴中固化成型，第一种芯层纺丝液进入到紫外固化区后固化成型，得到初生水凝胶纤维，再通过干燥、卷绕收集，经还原剂还原后，即得植入式凝胶光电极。
作为限定：步骤S1中高分子聚合物包括但不限于海藻酸钠、壳聚糖、PVA、水性聚氨酯中的一种，其分子量大小为Mw＝4000～4000000Da。
作为进一步限定：步骤S1中基体组分包括但不限于聚乙二醇双丙烯酰胺、聚乙二醇双丙烯酸酯中的一种；亲水组分包括但不限于丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺中的一种；引发剂组分包括但不限于IRGACURE 2959；基体组分与亲水组分的比例范围为0.05～1:0～0.95，引发剂占凝胶单体溶液的质量分数为0.2wt.％～5.0wt.％。
作为另一种限定：步骤S2中凝固浴为质量分数为0.1wt.％～5.0wt.％的离子溶液，离子溶液为氯化钙溶液或氯化锌溶液。
作为进一步限定：步骤S2中皮层纺丝液的挤出速率为1～100mL/h；第一种芯层纺丝液和第二种芯层纺丝液的挤出速率为0.1～50mL/h。
作为再进一步限定：步骤S2中紫外点光源的波长为200～400nm，光照强度为0.1～10W/cm2；干燥温度为30～80℃，干燥时间为0.5～5h；卷绕收集线速度为0.1～150m/h；还原工艺中还原剂采用水合肼、维生素C、氢碘酸中的一种，还原温度为45～95℃，还原时间为3～48h。
本发明还提供了由上述制备方法制得的植入式凝胶光电极。
作为限定：植入式凝胶光电极为双芯复合凝胶纤维，皮层为高分子水凝胶，芯层为水凝胶纤维和柔性碳基纤维材料。
作为进一步限定：植入式凝胶光电极的直径为100μm～2mm，含水量范围为5wt.％～95wt.％。
本发明由于采用了上述方案，与现有技术相比，所取得的有益效果是：
(1)本发明提供的一种植入式凝胶光电极及其制备方法，利用基于水相原位聚合纺丝法，通过双芯纺丝喷头将各层级纺丝液挤入到凝固浴，随后利用凝固的皮层凝胶纤维稳定芯层纺丝液，保证芯层纺丝液的固化，再经牵伸得到凝胶光电极，具有连续、直径可控、力学性能可调的优点；
(2)本发明提供的一种植入式凝胶光电极及其制备方法，通过利用具有良好生物相容性的高分子聚合物溶液、凝胶单体溶液及碳基杂化纺丝液分别作为皮层纺丝液、第一种芯层纺丝液和第二种芯层纺丝液，其中选用高分子聚合物为皮层纺丝液可有效维持芯层纺丝液的稳定性，获得稳定的纺丝细流，选用凝胶单体溶液为第一种芯层纺丝液可保证光导层中无定形高分子网络的形成，获得具有高光导性的芯层光纤，采用碳基杂化纺丝液作为第二种芯层纺丝液可实现芯层导电纤维的高效构筑，并且可通过杂化纺丝液组分的调控实现电导层纤维的电学性能调控，满足生理电的提取和分析需求；通过利用横向双芯针头作为纺丝喷丝口，以离子溶液为凝固浴固化皮层纺丝液及碳基杂化纺丝液，加以紫外点光源引发芯层纺丝液中单体的自由基聚合反应，牵伸、干燥及还原步骤后最终得到具有优异生物相容性、光导特性和电导特性的植入式凝胶光电极；
(3)本发明提供的一种植入式凝胶光电极及其制备方法，皮层和芯层直径可以通过纺丝液挤出速度比、卷绕速度和纺丝浓度等控制，并且该制备方法在室温下进行即可，操作方便。
本发明的制备方法适用于制备光电极，所制的光电极适用于光遗传学。
附图说明
下面结合附图及具体实施例对本发明作更进一步详细说明。
图1为本发明实施例1-6植入式凝胶光电极的制备示意图、实物照片及其截面图示；
图2为本发明实施例2植入式凝胶光电极的光导实物照片；
图3为本发明凝胶光电极的电导率随导电炭黑含量的增加变化结果；
图4为本发明实施例2植入式凝胶光电极与生物软组织的力学性能对比结果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本领域的技术人员应当理解，本发明并不限于以下实施例，任何在本发明具体实施例基础上做出的改进和等效变化，都在本发明权利要求保护的范围之内。
实施例1-6植入式凝胶光电极的制备方法
一种植入式凝胶光电极的制备方法，制备装置结构示意图如图1所示，制备过程中的工艺参数如表1所示，该制备方法包括依次进行的以下步骤：
S1、配制1kg质量分数为0.5wt.％～20wt.％的高分子聚合物溶液作为皮层纺丝液；配制1kg质量分数为10wt.％～90wt.％的凝胶单体溶液作为第一种芯层纺丝液；配制1kg质量分数为0.5wt.％～10wt.％的碳基杂化纺丝液作为第二种芯层纺丝液；
其中，高分子聚合物包括但不限于海藻酸钠、壳聚糖、PVA、水性聚氨酯中的一种，其分子量大小为Mw＝4000～4000000Da；
凝胶单体溶液成分包括基体组分、亲水组分、引发剂组分和水，基体组分包括但不限于聚乙二醇双丙烯酰胺、聚乙二醇双丙烯酸酯中的一种；亲水组分包括但不限于丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺中的一种；引发剂组分为光引发剂，包括但不限于IRGACURE 2959；基体组分与亲水组分的质量比为0.05～1：0～0.95，引发剂占凝胶单体溶液的质量分数为0.2wt.％～5.0wt.％。
碳基杂化纺丝液成分包括基体碳基材料、导电纳米填料和水，基体碳基材料采用氧化石墨烯、石墨烯和碳纳米管中的一种；导电纳米填料采用导电炭黑、Mxene和银纳米线中的一种，基体碳基材料与导电纳米填料的质量比为0.1～1:0～0.9。
S2、将皮层纺丝液、第一种芯层纺丝液和第二种芯层纺丝液经双芯纺丝喷头挤出至凝固浴的水浴中，并在距离喷丝口1mm～100mm处设置紫外点光源，皮层纺丝液和第二种芯层纺丝液在凝固浴中固化成型，第一种芯层纺丝液进入到紫外固化区后固化成型，得到初生水凝胶纤维，再通过干燥、卷绕收集，经还原剂还原，即得植入式凝胶光电极；
其中，凝固浴为质量分数为0.1wt.％～5.0wt.％的离子溶液，离子溶液为氯化钙溶液或氯化锌溶液；
皮层纺丝液的挤出速率为1～100mL/h，第一种芯层纺丝液和第二种芯层纺丝液的挤出速率为0.1～50mL/h；
紫外点光源的波长为200～400nm，光照强度为0.1～10W/cm2；干燥温度为30～80℃，干燥时间为0.5～5h；卷绕收集线速度为0.1～150m/h；
还原工艺中还原剂采用水合肼、维生素C、氢碘酸中的一种，还原温度为45～95℃，还原时间为3～48h。
表1实施例1-6植入式凝胶光电极制备方法中的工艺参数
Figure BDA0003676270180000051
Figure BDA0003676270180000061
Figure BDA0003676270180000071
实施例1-6得到的植入式凝胶光电极为双芯复合凝胶纤维，皮层为高分子水凝胶，芯层为水凝胶纤维和柔性碳基纤维材料；植入式凝胶光电极的直径为100μm～2mm，含水量范围为5wt.％～95wt.％。实施例2得到的植入式凝胶光电极与激光耦合后经过光导特性测试，并采用数码相机拍摄光导效果，其测试结果如图2所示，由图2可知激光可有效通过植入式凝胶光电极传输出来。采用高阻仪对植入式凝胶光电极的电导性进行测量，植入式凝胶光电极的测量长度为3cm，测出植入式凝胶光电极的电阻后换算其电导率，其测试结果如图3所示，由图3可知植入式凝胶光电极的电导率随导电炭黑含量的增加而增大，并且当导电炭黑含量达50％时，其电导率可达180S/cm。采用万能材料试验机对实施例2得到的植入式凝胶光电极进行力学性能测试，具体测试流程为将植入式凝胶光电极夹于万能材料实验机的夹具上，上下夹具的距离为1cm，拉伸速度为5mm/min，随后按照预先设置的程序开始力学性能测试，其测试结果如图4所示，由图4可知所制备的凝胶光电极的模量为1MPa，与生物软组织的力学模量相接近。其余实施例的测试结果与实施例2类似，在此不再赘述。
综上：实施例1-6得到的植入式凝胶光电极具有优异的光导特性和电导特性，并且具有可高度适配软组织的力学性能。

Claims (9)

1.一种植入式凝胶光电极的制备方法，其特征在于，包括依次进行的以下步骤：
S1、配制质量分数为0.5wt.％～20wt.％的高分子聚合物溶液作为皮层纺丝液；配制质量分数为10wt.％～90wt.％的凝胶单体溶液作为第一种芯层纺丝液；配制质量分数为0.5wt.％～10wt.％的碳基杂化纺丝液作为第二种芯层纺丝液；其中，高分子聚合物为可湿纺成型的聚合物，凝胶单体溶液成分包括基体组分、亲水组分、引发剂组分和水，基体组分为双官能度聚乙二醇衍生物，亲水组分为丙烯酰胺衍生物；引发剂组分为光引发剂，碳基杂化纺丝液成分包括基体碳基材料、导电纳米填料和水，基体碳基材料采用氧化石墨烯、石墨烯和碳纳米管中的一种；导电纳米填料采用导电炭黑、Mxene和银纳米线中的一种，基体碳基材料与导电纳米填料的质量比为0.1～1:0～0.9；
S2、将皮层纺丝液、第一种芯层纺丝液和第二种芯层纺丝液经双芯纺丝喷头挤出至凝固浴的水浴中，并在距离喷丝口1mm～100mm处设置紫外点光源，皮层纺丝液和第二种芯层纺丝液在凝固浴中固化成型，第一种芯层纺丝液进入到紫外固化区后固化成型，得到初生水凝胶纤维，再通过干燥、卷绕收集，经还原剂还原后，即得植入式凝胶光电极。
2.根据权利要求1所述的一种植入式凝胶光电极的制备方法，其特征在于，步骤S1中高分子聚合物包括但不限于海藻酸钠、壳聚糖、PVA、水性聚氨酯中的一种，其分子量大小为Mw＝4000～4000000Da。
3.根据权利要求2所述的一种植入式凝胶光电极的制备方法，其特征在于，步骤S1中基体组分包括但不限于聚乙二醇双丙烯酰胺、聚乙二醇双丙烯酸酯中的一种；亲水组分包括但不限于丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、N-异丙基丙烯酰胺中的一种；引发剂组分包括但不限于IRGACURE 2959；基体组分与亲水组分的比例范围为0.05～1:0～0.95，引发剂占凝胶单体溶液的质量分数为0.2wt.％～5.0wt.％。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种植入式凝胶光电极的制备方法，其特征在于，步骤S2中凝固浴为质量分数为0.1wt.％～5.0wt.％的离子溶液，离子溶液为氯化钙溶液或氯化锌溶液。
5.根据权利要求4所述的一种植入式凝胶光电极的制备方法，其特征在于，步骤S2中皮层纺丝液的挤出速率为1～100mL/h；第一种芯层纺丝液和第二种芯层纺丝液的挤出速率为0.1～50mL/h。
6.根据权利要求5所述的一种植入式凝胶光电极的制备方法，其特征在于，步骤S2中紫外点光源的波长为200～400nm，光照强度为0.1～10W/cm2；干燥温度为30～80℃，干燥时间为0.5～5h；卷绕收集线速度为0.1～150m/h；还原工艺中还原剂采用水合肼、维生素C、氢碘酸中的一种，还原温度为45～95℃，还原时间为3～48h。
7.一种植入式凝胶光电极，其特征在于，由权利要求1-6中任意一项所述的制备方法制得。
8.根据权利要求7所述的一种植入式凝胶光电极，其特征在于，植入式凝胶光电极为双芯复合凝胶纤维，皮层为高分子水凝胶，芯层为水凝胶纤维和柔性碳基纤维材料。
9.根据权利要求8所述的一种植入式凝胶光电极，其特征在于，植入式凝胶光电极的直径为100μm～2mm，含水量范围为5wt.％～95wt.％。
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