CN115078487A - 一种基于液态金属的体外心肌柔性微电极阵列及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液态金属的体外心肌柔性微电极阵列及其制备方法，包括第一柔性层、若干阵列排布的液态金属微电极和第二柔性层；所述第一柔性层和第二柔性层键合，二者间设有绝缘微通道；所述液态金属微电极排布于所述绝缘微通道内，包括记录电极位点、导线和接口端，所述记录电极位点的表面附着有铂电极，且记录电极位点与微纳米铂电极的结构缝隙间设有藻酸盐微凝胶层。该柔性微电极阵列具有良好的生物相容性、可拉伸性能，可用于心肌芯片三维物理场模拟及心肌组织场电位信号长期实时记录。该柔性微电极阵列制备工艺简单高效，可实现批量生产与灵活设计，具有广阔的应用前景。

Description

一种基于液态金属的体外心肌柔性微电极阵列及其制备方法

技术领域

本发明具体涉及一种基于液态金属的体外心肌柔性微电极阵列及其制备方法。

背景技术

据统计，一种新药平均研发周期～15年，费用～10亿美元。然而，临床前实验验证有效的药物，约92％无法通过临床试验，其中45％发生在心肌组织毒性检测环节。因此，心肌芯片在药物开发、毒理测试中将发挥重要作用，不仅大大缩短临床试验周期，降低心肌伤害风险，也为患者个性化诊疗提供有力支持。心肌组织的电生理参数是当前心肌芯片组织培养、功能应用评价的非常重要的指标，目前研究电生理特性的直接技术有两大类：膜片钳和微电极阵列。

微电极阵列(microelectrode array,MEA)是以检测电兴奋类细胞如心肌细胞、神经网络等的电生理活动的一类细胞传感器。心肌细胞会自发或者受到超阈值信号刺激而发生动作电位，细胞传感器将活体细胞作为一级传感单元，微电极阵列作为二级传感单元，测量粘附在微电极阵列基底上的心肌细胞的细胞外场电位。它因无损检测、响应速度快、制备工艺简单、可扩展性强等特点而具有广泛的应用前景。

刚性基底的MEA已成为一种应用广泛的体外检测细胞电生理的平台，常用的有硅基底的MEA，具有传感单元面积极小和超高集成度等优势，玻璃基底还可与光学检测系统兼容。其局限性是硅和玻璃是杨氏模量较高的脆性材料，传统的刚性装置与软生物组织接触时，会发生机械力失配，生物相容性较差，不利于长时间检测，因此，一种解决方案是采用柔性材料作为基板，例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)和聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)等。近年来，柔性基底为微电极阵列的制造方法提供更多的可能性，显着降低成本、制造时间以及减少步骤数量和对精密设备的需求。

目前广泛采用丝网印刷、喷墨打印、直接激光直写碳化等加工方式可在柔性基板上制备微米尺寸的固态微电极阵列如金、银、导电聚合物等，固态电极在应变环境中容易产生裂纹影响电极的性能稳定，因此制备全柔性的微电极阵列具有重要意义，可以在应变条件下保持良好的记录功能，并且配合心肌芯片所需的应变功能，模拟体内心肌物理环境。

液态金属是一种无定型态、可流动的非晶合金材料，在室温下呈流体态，具有良好的可塑性、延展性、导电性及耐压性，常见的液态金属主要用Hg、Ga基合金等，Ga基合金因其安全无毒、稳定不挥发而广泛应用于柔性电子、软体机器人、生物医疗等场合。液态金属，如镓铟合金在水和氧共存环境中易析出微量的,化学性能较活泼，置于细胞培养基中的液态金属电极表面需要良好的封装层，以提高液态金属电极的性能稳定性及生物相容性。CN105944228A公开了一种基于液态金属的植入式柔性神经电极，将液态金属阵列图案喷涂成型置于聚合物薄膜上，并键合阵列开孔薄膜作封装层，电极点表面覆盖液态金属封装剂，该制备工艺简单，但在高精度成型及表面处理方面还有待提高。CN111920404A公开了一种柔性微电极阵列及其制备方法和应用，将分散后液态金属油墨通过丝网印刷-转印的方式置于柔性聚合物基底上，表面涂敷柔性聚合物做绝缘封装层，电极位点通过磁控溅射的方式沉积贵金属做封装层，该柔性微电极阵列具有良好生物相容性且性能稳定，但在金属与绝缘层定位方式及对精密设备的依赖还有待改善。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种基于液态金属的体外心肌柔性微电极阵列及其制备方法，解决了上述背景技术中的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：提供了一种基于液态金属的体外心肌柔性微电极阵列，包括第一柔性层、若干阵列排布的液态金属微电极和第二柔性层；所述第一柔性层和第二柔性层键合，二者间设有绝缘微通道；所述液态金属微电极排布于所述绝缘微通道内，包括记录电极位点、导线和接口端，所述记录电极位点的表面附着有铂电极，且记录电极位点与微纳米铂电极的结构缝隙间设有藻酸盐微凝胶层。

在本发明一较佳实施例中，所述绝缘微通道对应设置有记录电极位点通道、导线槽和接口端通道，所述导线槽设置于第一柔性层，所述记录电极位点通道贯穿第一柔性层并与导线槽连通，所述接口端通道设置于第二柔性层。

在本发明一较佳实施例中，所述第二柔性层用于连接柔性印刷电路板，所述柔性印刷电路板的通孔焊盘位于第二柔性层的接口端。

在本发明一较佳实施例中，所述记录电极位点为锥形，锥形的底端连接有导线，顶端附着有所述铂电极。

在本发明一较佳实施例中，所述记录电极位点的顶端直径为30～50μm、底端直径为100～200μm，间距100～500μm，所述导线的高度为20～50μm、宽度为50～100μm；所述接口端的直径为100～200μm。

在本发明一较佳实施例中，所述铂电极具有三维多孔的微纳米结构，厚度为500nm～10μm。

在本发明一较佳实施例中，所述藻酸盐微凝胶层厚度5～30nm。

在本发明一较佳实施例中，所述第一柔性层和第二柔性层的材质为聚二甲基硅氧烷，厚度为100～400μm；液态金属材料为镓铟合金或镓铟锡合金。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：提供了上述一种基于液态金属的体外心肌柔性微电极阵列的制备方法，包括如下步骤：

1)浇筑脱模制备第一柔性层、第二柔性层及绝缘微通道对应腔体，将所述第一柔性层、第二柔性层和柔性印刷电路板不可逆键合；

2)采用过量的液态金属以入口唯一的真空填充方式向绝缘微通道内灌注形成液态金属微电极的阵列；

3)通过电化学沉积方法在记录电极位点表面沉积三维多孔的微纳米铂电极；

4)通过海藻酸钠交联记录电极位点表面游离的金属离子形成藻酸盐微凝壳。

在本发明一较佳实施例中，所述步骤1)包括如下步骤：利用光固化3D打印制备模具，将聚合物和固化剂混合而成的聚合物溶液浇筑于模具中，80～90℃恒温固化30～40min，脱模；将第一柔性层、第二柔性层和柔性印刷电路板氧等离子体处理60～70s，定位贴合；将键合好的器件置于80～90℃恒温箱30～40min。

在本发明一较佳实施例中，所述步骤2)包括如下步骤：

①在第一柔性层记录位点开口处覆盖水溶性密封胶；

②吸取20g～50g液态金属覆盖于接口端处对应的柔性印刷电路板通孔焊盘处；

③置于真空箱内20～30min，打开通气口恢复真空箱内气压，静置10～15min使液态金属完全填充绝缘微通道内；

④使用无水乙醇擦拭去除多余的液态金属；

⑤使用硅胶覆盖柔性印刷电路板的通孔焊点进行封装；

⑥浸入去离子水中去除水溶性密封胶。

在本发明一较佳实施例中，所述步骤3)包括如下步骤：吸取0.1～0.5g的0.5wt％～1wt％铂盐覆盖于记录电极位点30～130s，去除反应后的铂盐溶液，滴加0.1～0.5g去离子水反复清洁电极表面；所述铂盐溶液为四氯铂酸钾或氯铂酸。

在本发明一较佳实施例中，所述步骤4)包括如下步骤：吸取0.1～0.5g浓度为0.3wt％～1wt％的海藻酸钠溶液覆盖于记录电极位点，静置5～10min；去除反应后的海藻酸钠溶液；滴加0.1～0.5g去离子水反复清洁电极表面。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

1.本发明将液态金属作为柔性电极材料，聚二甲基硅氧烷柔性聚合物作为基底与绝缘层，实现全柔性化微电极阵列，具备优异的抗拉伸性，可用于心肌芯片三维物理场模拟及心肌组织场电位信号长期实时记录；

2.本发明记录电极位点使用两种表面处理工艺，电化学沉积三维多孔铂电极微纳米结构和交联形成藻酸盐微凝胶层，降低了固液界面阻抗，减小采集信号噪声，并使电极表面亲水性提高，具备优异的生物相容性，实现心肌组织长期贴附培养与信号实时采集；

3.本发明采用真空填充技术，预先制备内置微通道阵列的柔性聚合物减轻了逐层制造基底-电极-绝缘层的定位困难与精度低、步骤复杂等问题。

附图说明

图1是实施例1柔性微电极阵列的结构示意图；

图2是图1中层结构平面图；

图3的(a)～(l)是柔性微电极阵列的制备工艺流程示意图(单个电极为例)；

图4的(a)是实施例2柔性微电极阵列的结构示意图，(b)是(a)的俯视透视图；

图5是实施例3柔性微电极阵列的结构示意图；

图6是柔性微电极阵列电极图案局部示意图；

图7是图6的立体结构示意图；

图8是实施例1铂电极和藻酸盐微凝胶层设置位置图。

其中，1-第一柔性层，2-第二柔性层，3-液态金属微电极，31-记录电极位点，32-导线，33-接口端，4-绝缘微通道，41-记录电极位点通道，42-导线槽，43-接口端通道，5-铂电极，6-藻酸盐微凝胶层，7-柔性印刷电路板，71-通孔焊盘，8-细胞培养腔室，9-信号电路引出区。

具体实施方式

下述实施例中，一种基于液态金属的体外心肌柔性微电极阵列芯片，可从静态培养升级为动态的二维培养芯片，更贴切地模拟细胞生长环境，有利于提高场电位信号的准确性，同时，阵列化的芯片设计可满足高通量需求。

高分辨率的柔性微电极阵列可获取更准确真实细胞场电位信息，微阵列电极的导线轨迹、记录电极的轨迹的微电极图案中通过修改模具的微柱直径、数量、间距以及微流道的直径、厚度可调整液态金属微电极阵列相应特征，真空填充液态金属的工艺可以良好的适应不同的轨迹需求，设计灵活。

实施例1

本实施例一种基于液态金属的体外心肌柔性微电极阵列，包括第一柔性层1、若干阵列排布的液态金属微电极3、第二柔性层2，所述第二柔性层2用于连接柔性印刷电路板7；所述第一柔性层1和第二柔性层2材质为聚二甲基硅氧烷，二者不可逆键合并形成完整的绝缘微通道4；所述液态金属微电极3由液态金属镓铟合金真空填充而成，并以图7的图案排布于所述绝缘微通道4内。

所述液态金属微电极3包括记录电极位点31、导线32和接口端33，所述绝缘微通道4对应设置有记录电极位点通道41、导线槽42和接口端通道43，所述导线槽42设置于第一柔性层1，所述记录电极位点通道41贯穿第一柔性层1并与导线槽42连通，所述接口端通道43设置于第二柔性层2。所述柔性印刷电路板7键合于第二柔性层2并设有与接口端33的通孔焊盘71。本实施例所述液态金属微电极3阵列完全填充于柔性层内部形成的微通道阵列，导线32由第一柔性层1和第二柔性层2包裹，记录电极位点31与第一柔性层1表面开口阵列处齐平。

所述记录电极位点31的表面附着有铂电极5，所述记录电极位点31为锥形，锥形的底端连接有导线32，顶端附着有所述铂电极5。本实施例中，所述记录电极位点31的顶端直径为30～50μm、底端直径为100～200μm，间距100～500μm，所述导线32的高度为20～50μm、宽度为50～100μm；所述接口端33的直径为100～200μm。所述铂电极5具有三维多孔的微纳米结构，厚度为500nm～10μm。记录电极位点31与微纳米铂电极5的结构缝隙间设有藻酸盐微凝胶层6。所述藻酸盐微凝胶层6厚度5～30nm。

实施例2

本实施例在实施例1柔性微电极阵列上设置细胞培养腔室8和信号电路引出区9，接口端33的液态金属直接与柔性印刷电路板7相连，衔接后端信号处理电路，制备方法包括如下步骤：

(1)如图3中(a)～(c)，称取定量的PDMS浇筑光固化模具中，放入温箱80℃，40min恒温固化，得到两层聚合物薄膜，即第一柔性层1、第二柔性层2及绝缘微通道4对应腔体；柔性印刷电路板7通过Altium designer设计，定制加工；

本实施例中，设计加工玻璃环形成细胞培养腔室8；将以上样品放入等离子体清洗机，通入氧气，氧等离子体处理键合面70后贴合键合，放入温箱80℃，1h保证稳定键合；

(2)采用过量的液态金属以入口唯一的真空填充方式向绝缘微通道4内灌注形成液态金属微电极3的阵列：

①如图3中(a)～(c)，在步骤(1)得到的柔性聚合物的记录电极位点31开口处覆盖胶质材料或3M胶带密封，作为牺牲层；

②如图3中(d)，用针管吸取定量的液态金属20g～50g，覆盖于柔性印刷电路板7通孔焊点处，保证通孔处完全密封，确保微通道阵列结构的所有通道口被胶质材料和液态金属完全密封；

③如图3中(f)～(g)，将器件置于真空箱中30min，打开通气口恢复真空箱内气压，静置10min使液态金属完全填充微通道；

④使用蘸有无水乙醇的棉签擦拭柔性印刷电路板7通孔焊点，去除多余的液态金属；

⑤如图3中(h)，使用硅胶覆盖柔性印刷电路板7通孔焊点进行封装，得到柔性微电极阵列；

⑥将为柔性微电极阵列覆盖胶质处浸入去离子水中，去除牺牲层或去除黏附于表面的3M胶带。

(3)如图3中(i)～(j)，在用针管吸取0.5g的0.5wt％氯铂酸溶液覆盖于步骤(2)得到的液态金属微电极3阵列记录电极位点31，静置30s，去除反应后的铂盐溶液，滴加0.1～0.5g去离子水反复清洁电极表面，3次以上。

(4)如图3中(k)～(l)，用针管吸取0.5g，1wt％的海藻酸钠溶液覆盖于液态金属微电极3阵列记录电极位点31，静置10min,待交联反应完全，去除反应后的海藻酸钠溶液，滴加0.1～0.5g去离子水反复清洁电极表面。

本实施例记录电极位点31表面设置有多孔微纳米铂电极5和藻酸盐微凝胶层6，构成4x4的电极直径50μ柔性微电极阵列。采用全柔性化、工艺简单高效、具有性能稳定、优异的生物相容性以及较高工艺精度的制备方式，基于真空填充技术的液态金属微电极3阵列具有良好的延展性，可抵抗大应变，在制造方式上将电极制造精度困难、电极与绝缘层的定位精度困难转换为精密微通道阵列的构建，由外至内，使工艺简化高效，利用液态金属的材料特殊性处理表面可增强界面性能以及提高生物相容性，可用于心肌组织电生理信号的实时监测，在药物开发、毒理测试中将发挥重要作用。

实施例3

一种基于液态金属的体外心肌柔性微电极阵列芯片，该柔性微电极阵列的整体结构如图4所示，该阵列化芯片共包含三个细胞培养腔室8，通过微流道连接，将营养液、气体等通过灌注入口、出口实现循环供给，将测得的场电位电压信号通过柔性印刷电路板7接口端33引出。

本实施例的制备方法如下：

(1)称取定量的PDMS浇筑光固化模具中，得到柔性微电极阵列的柔性聚合物薄膜、芯片封装腔室层；通过Altium designer设计、定制加工柔性印刷电路板7；将柔性聚合物薄膜与柔性印刷电路板7稳定键合。

(2)在步骤(1)得到的柔性聚合物的记录电极位点31开口处覆盖胶质材料密封，将芯片封装腔室层与柔性聚合物键合，设置连接阵列化芯片的微管道结构；

(3)用针管吸取定量的液态金属20g～50g，覆盖于柔性印刷电路板7通孔焊点处，保证通孔处完全密封，确保柔性聚合物微通道阵列结构的所有通道口被胶质材料和液态金属完全密封；将器件置于真空箱中30min，随后打开通气口恢复真空箱内气压，静置10min使液态金属完全填充微流道；使用蘸有无水乙醇的棉签擦拭柔性印刷电路板7通孔焊点，去除多余的液态金属。使用速干硅胶覆盖柔性印刷电路板7通孔焊点进行封装，得到液态金属微电极3阵列，从灌注入口循环通入去离子水1h，去除牺牲层。

(4)从灌注入口通入0.5g的0.5wt％氯铂酸溶液覆盖于液态金属微电极3阵列记录电极位点31，静置30s，再持续通入去离子水1h去除反应后的铂盐溶液。从灌注入口通入0.5g，1wt％的海藻酸钠溶液覆盖于液态金属微电极3阵列记录电极位点31，静置10min,待交联反应完全，持续通入去离子水1h去除反应后的海藻酸钠溶液。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (13)

1.一种基于液态金属的体外心肌柔性微电极阵列，其特征在于：包括第一柔性层、若干阵列排布的液态金属微电极和第二柔性层；所述第一柔性层和第二柔性层键合，二者间设有绝缘微通道；所述液态金属微电极排布于所述绝缘微通道内，包括记录电极位点、导线和接口端，所述记录电极位点的表面附着有铂电极，且记录电极位点与微纳米铂电极的结构缝隙间设有藻酸盐微凝胶层。

2.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的体外心肌柔性微电极阵列，其特征在于：所述绝缘微通道对应设置有记录电极位点通道、导线槽和接口端通道，所述导线槽设置于第一柔性层，所述记录电极位点通道贯穿第一柔性层并与导线槽连通，所述接口端通道设置于第二柔性层。

3.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的体外心肌柔性微电极阵列，其特征在于：所述第二柔性层用于连接柔性印刷电路板，所述柔性印刷电路板的通孔焊盘位于第二柔性层的接口端。

4.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的体外心肌柔性微电极阵列，其特征在于：所述记录电极位点为锥形，锥形的底端连接有导线，顶端附着有所述铂电极。

5.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的体外心肌柔性微电极阵列，其特征在于：所述记录电极位点的顶端直径为30～50μm、底端直径为100～200μm，间距100～500μm，所述导线的高度为20～50μm、宽度为50～100μm；所述接口端的直径为100～200μm。

6.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的体外心肌柔性微电极阵列，其特征在于：所述铂电极具有三维多孔的微纳米结构，厚度为500nm～10μm。

7.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的体外心肌柔性微电极阵列，其特征在于：所述藻酸盐微凝胶层厚度5～30nm。

8.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的体外心肌柔性微电极阵列，其特征在于：所述第一柔性层和第二柔性层的材质为聚二甲基硅氧烷，液态金属材料为镓铟合金或镓铟锡合金。

9.如权利要求1～8任一项所述的一种基于液态金属的体外心肌柔性微电极阵列的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)浇筑脱模制备第一柔性层、第二柔性层及绝缘微通道对应腔体，将所述第一柔性层、第二柔性层和柔性印刷电路板不可逆键合；

2)采用过量的液态金属以入口唯一的真空填充方式向绝缘微通道内灌注形成液态金属微电极的阵列；

3)通过电化学沉积方法在记录电极位点表面沉积三维多孔的微纳米铂电极；

4)通过海藻酸钠交联记录电极位点表面游离的金属离子形成藻酸盐微凝壳。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1)包括如下步骤：利用光固化3D打印制备模具，将聚合物和固化剂混合而成的聚合物溶液浇筑于模具中，80～90℃恒温固化30～40min，脱模；将第一柔性层、第二柔性层和柔性印刷电路板氧等离子体处理60～70s，定位贴合；将键合好的器件置于80～90℃恒温箱30～40min。

11.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述步骤2)包括如下步骤：

①在第一柔性层记录位点开口处覆盖水溶性密封胶；

②吸取20g～50g液态金属覆盖于接口端处对应的柔性印刷电路板通孔焊盘处；

③置于真空箱内20～30min，打开通气口恢复真空箱内气压，静置10～15min使液态金属完全填充绝缘微通道内；

④使用无水乙醇擦拭去除多余的液态金属；

⑤使用硅胶覆盖柔性印刷电路板的通孔焊点进行封装；

⑥浸入去离子水中去除水溶性密封胶。

12.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3)包括如下步骤：吸取0.1～0.5g的0.5wt％～1wt％铂盐覆盖于记录电极位点30～130s，去除反应后的铂盐溶液，滴加0.1～0.5g去离子水反复清洁电极表面；所述铂盐溶液为四氯铂酸钾或氯铂酸。

13.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述步骤4)包括如下步骤：吸取0.1～0.5g浓度为0.3wt％～1wt％的海藻酸钠溶液覆盖于记录电极位点，静置5～10min；去除反应后的海藻酸钠溶液；滴加0.1～0.5g去离子水反复清洁电极表面。

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