CN115651837A - 复合神经微器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合神经微器件及其制造方法，其中的复合神经微器件包括电极单元、细胞培养单元和封装单元，所述电极单元包括刺激电极及电极导线，所述电极导线将外部电流传到刺激电极；所述细胞培养单元位于电极正上方，用于承载神经干细胞；所述封装单元包含狭缝薄膜以及绝缘膜，所述狭缝薄膜位于细胞培养单元上方，防止细胞培养液漏出，所述绝缘膜包覆在电极导线以及刺激电极除正面外的其他部分。上述复合神经微器件及其制造方法使得电刺激与神经干细胞能够联合作用。

Description

复合神经微器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，更为具体地，涉及一种复合神经微器件及其制造方法。

背景技术

脑卒中就是俗称的中风，它是以局灶性神经功能缺损为共同特征的急性脑血管疾病，包括缺血性脑卒中和出血性脑卒中。严重的脑卒中可能会造成永久性神经损伤，如果医治不及时可能造成严重的并发症，甚至死亡。目前治疗脑卒中的方法主要是药物治疗和手术治疗两种，但是无论如何治疗都只能让患者的病治好，而受损的脑神经却无法恢复，所以脑卒中的致残率极高。因此，如何使运动机能受损的病患恢复运动功能是目前急需解决的问题。

目前，对于脑卒中后遗症的康复手段主要是神经发育法和神经肌肉电刺激疗法。其中，神经发育法主要是通过日常活动中使用健侧肢体，增加患体的运动时间，防止“习惯性废用”的形成。而神经肌肉电刺激是通过电流刺激诱发肌肉收缩，采用表皮刺激的途径来刺激肌肉收缩，以此来恢复受损肌肉的运动功能。

但是，上述这些复建的手段都是通过不同的手段增强突触前后激活的同步性，这种同步性的改变虽然可以在一定程度上帮助神经结构变化，加快神经环路的重建，恢复受损的运动机能。但是，这些方法由于手段单一、电刺激控制方式单一，无法从细胞层面实现根本的神经损伤功能修复。

因此，亟需一种更为有效的从细胞层面实现根本的神经损伤功能修复的技术。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种电刺激与神经干细胞联合作用的复合神经微器件及其制造方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种复合神经微器件，包括电极单元、细胞培养单元和封装单元；其中，

所述电极单元包括刺激电极和用于将及将外部电流传导到所述刺激电极的电极导线；

所述细胞培养单元位于所述刺激电极的上方，用于承载神经干细胞；

所述封装单元包括狭缝薄膜以及绝缘膜，所述狭缝薄膜位于细胞培养单元的上方，用于防止培养所述神经干细胞的细胞培养液漏出；所述绝缘膜包覆在所述电极导线以及所述刺激电极除正面外的部分。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于制造前述的复合神经微器件的方法，所述方法包括：

在PMMA板上通过激光打孔加工出与刺激电极形状对应的孔，形成PMMA模具；

在所述PMMA模具上形成一层金属电极板；

将所述金属电极板切割成单独的刺激电极；

将电极导线焊接在所述刺激电极的底部形成电极单元；

将所述电极单元与预制的卡槽模具、十字模具组成电极-模具组合体；其中，所述卡槽模具用于限制细胞培养单元的大小，所述十字模具用于限制微流控细胞通道、细胞附着板的结构；

将预制的PDMS混合液倒入所述电极-模具组合体中；

将包含所述PDMS混合液的电极-模具组合体放入恒温干燥箱，进行干燥，脱去所有模具，形成细胞培养单元与电极单元一体化的电极-细胞培养组合体；

将预制的狭缝薄膜粘结在所述细胞培养单元的上方；

在裸露的电极导线与刺激电极除正面以外的部分涂覆形成绝缘膜。

利用上述根据本发明的复合神经微器件及其制造方法，可以使电刺激与神经干细胞联合作用。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为根据本发明实施例的复合神经微器件的立体装配图；以及

图2a为本发明实施例的复合神经微器件的俯视结构示意图；

图2b为本发明实施例的复合神经微器件的侧视结构示意图；

图2c为本发明实施例的复合神经微器件的立体结构示意图；

图3为根据本发明实施例的复合神经微器件的制造方法流程示意图；

图4为根据本发明实施例的卡槽模具结构示意图；

图5为根据本发明实施例的十字模具的结构示意图；

图6为根据本发明实施例的卡槽模具和十字模具与电极的配合分解图。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。

以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

图1是根据本发明实施例的复合神经微器件的立体装配图，图2a是本发明实施例的复合神经微器件的俯视结构示意图；图2b是本发明实施例的复合神经微器件的侧视结构示意图；图2c是本发明实施例的复合神经微器件的立体结构示意图。

如图1、图2a～图2c共同所示，本发明提供的复合神经微器件，主要包括电极单元、细胞培养单元和封装单元，其中，所述电极单元包括刺激电极2及用于将外部电流传导到刺激电极2的电极导线1，所述细胞培养单元位于所述刺激电极2的上方，用于承载神经干细胞；所述封装单元包括狭缝薄膜7以及绝缘膜3，所述狭缝薄膜7位于细胞培养单元的上方，用于防止培养所述神经干细胞的细胞培养液漏出；所述绝缘膜3包覆在所述电极导线1以及所述刺激电极2除正面以外的部分。

其中，所述刺激电极2为金属电极。所述电极导线1将外部电流传到刺激电极2，以刺激电极2的正面作为正极，以生物样品或组织作为负极，通过外界液体环境导电，形成电流通路。

在本发明的一个具体实现例中，刺激电极2为刺激微电极阵列，呈锥形；由于镍可以促进神经干细胞的分化，因此，在本发明的一个实施例中，采用镍材料的刺激电极。另外，刺激电极可以选用性质较稳定的金材料制作。

在一个实施例中，刺激电极2的基座为长宽高分别是6.1mm、6.1mm、0.3mm的长方体，基座上有一个4*4的锥形电极阵列，每个锥形电极的底部直径为0.5mm，高为0.82mm，相邻锥形电极之间的距离为1.2mm或1.3mm。这样的设计会使锥形刺激电极的尖端具有更好的锥度，使电极放电更加平稳，金属结构不容易被破坏。

由于铬镍合金的生物相容性比较好，因此，在本发明的一个实施例中，电极导线1采用Cr20Ni80材料。也可以根据具体需要采用其他材料的电极导线，比如导电性好的银质导线。

在本发明的一个实施例中，细胞培养单元位于电极单元的上方，具体包括微流控细胞通道4、细胞附着板6、细胞进液口5；其中，所述微流控细胞通道4用于承载神经干细胞，所述细胞附着板6用于增大神经干细胞在微流控细胞通道内的附着面积，所述细胞进液口5用于将神经干细胞注入微流控细胞通道4。

具体的，作为示例，将外部培养的神经干细胞装在微注射器里，然后通过细胞进液口5注入微流控细胞通道4，微流控细胞通道4与刺激电极2交错分布，且相互贯通，用于承载神经干细胞；细胞附着板6位于微流控细胞通道4的内部，用于增大神经干细胞的附着面积；细胞进液口5位于微流控细胞通道4的两端。

在复合神经微器件移植过程中，由于有狭缝薄膜覆盖在细胞培养单元上方，所以神经干细胞及其细胞培养液不会漏出。

在本发明的一个实施例中，细胞培养单元具有六条微流控细胞通道4，这六条微流控细胞通道呈十字交叉分布(如图1、图5、图6所示)，每条通道的长宽高分别为6.1mm、0.5mm、0.3mm；细胞附着板6的厚度为0.1mm；细胞进液口5的宽度为0.2mm，在每条微流控细胞通道4的两端各设置有两个细胞进液口5。

封装单元用于封装电极单元和细胞培养单元，具体包括封装细胞培养单元的狭缝薄膜7和封装电极单元的绝缘膜3，其中，狭缝薄膜7位于细胞培养单元的上方，用于防止培养神经干细胞的细胞培养液漏出，绝缘膜3包覆在电极导线以及刺激电极除正面以外的其他部分。

具体的，作为示例，狭缝薄膜7包括进胶孔9、电极尖孔10和轴突狭缝8。其中，进胶孔9用于渗入胶水粘结细胞培养单元与狭缝薄膜；电极尖孔10用于露出刺激电极2的电极尖端。轴突狭缝8用于使微流控细胞通道4里的神经干细胞轴突与外界环境连通。由于PET(Polyethylene terephthalate，俗称涤纶树脂，是对苯二甲酸与乙二醇的缩聚物)材料的生物相容性比较好，易加工且耐高温，因此，在本发明的一个实施例中，狭缝薄膜采用PET材料。当然，也可以根据具体的生产或者应用需要采用其他材料，比如可降解的PLGA(poly(lactic-co-glycolic acid)，聚乳酸-羟基乙酸共聚物)。

在一个实施例中，狭缝薄膜的进胶孔包括分布于狭缝薄膜的四个角部位置的4个边长为1mm的正方形孔；电极尖孔为直径0.25mm的圆孔，共有16个，与刺激电极2一一对应；轴突狭缝为宽度20μm的细长孔，分布在微流控细胞通道4的上方。

绝缘膜用于电极单元的绝缘处理，在本发明的一个实施例中，采用环氧树脂材料作为绝缘膜，也可以采用其他耐化学品性好、绝缘、生物相容性好的材料。具体的，作为示例，将环氧树脂涂敷于电极导线1以及刺激电极2除正面以外的部分，干燥后形成防止电极单元漏电的绝缘膜。

本发明提供的复合神经微器件，可将神经干细胞和培养基一起注入到微流控细胞通道，在本发明的一个应用实施例中，注入的神经干细胞的数量为10μl，浓度为5×104/μl。

图3为根据本发明实施例的复合神经微器件的制造方法流程示意图，如图3所示，上述复合神经微器件的制造方法包括：

S310：在基材板上通过激光打孔加工出与刺激电极形状对应的孔，形成模具；

本实施例中，可以采用PMMA板作为电极单元的基材板。PMMA(polymethylmethacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)，又称压克力、亚克力或有机玻璃，具有高透明度，低价格，易于机械加工等优点。也可以根据具体需要采用其他材料的基材板，比如硅板。

另外，在基材板上进行激光打孔加工与刺激电极形状对应的多个孔时，还可以同时在每组电极孔的四个角打上激光切割定位孔，以便在后期对模具进行处理时准确定位该模具。

S320：在模具上形成一层金属电极板；具体的，可以利用电铸工艺在模具上通过镍电铸形成一层镍金属电极板。

S330：将金属电极板切割成单独的刺激电极；具体的，可以利用激光切割技术对金属电极板进行切割，形成一个个单独的刺激电极。

S340：将电极导线焊接在刺激电极的底部，形成电极单元；具体的，可以利用激光焊接技术将电极导线焊接在每一个刺激电极的底部，以为刺激电极供电。

S350：将所述电极单元与预制的卡槽模具、十字模具组成电极-模具组合体；其中，所述卡槽模具用于限制细胞培养单元的大小，所述十字模具用于限制微流控细胞通道、细胞附着板的结构；

在预制卡槽模具、十字模具的过程中，需要分别设置限制细胞培养单元大小的卡槽模具，以及设置限制微流控细胞通道、细胞附着板结构的十字模具。图4和图5分别示出了根据本发明实施例的卡槽模具和十字模具的结构示意图，图6示出了根据本发明实施例的卡槽模具和十字模具与电极的配合分解图。

S360：将预制的PDMS混合液倒入所述电极-模具组合体中。

其中，PDMS混合液通过将PDMS预聚体和固化剂按设定质量比例混合制成。PDMS(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)，是有机硅的一种，由于其使用简单，同硅片之间具有良好的粘附性，而且具有良好的化学惰性等特点，因此本发明中采用PDMS制造细胞培养单元的基体。为了便于后期的脱模处理，在将预制的PDMS混合液倒入所述电极-模具组合体中之前，最好在电极-模具组合体上预先涂覆脱模剂。

S370：将包含PDMS混合液的电极-模具组合体放入恒温干燥箱进行干燥、脱模，形成细胞培养单元与电极单元一体化的电极-细胞培养组合体。

具体的，作为示例，在将PDMS混合液倒入卡槽模具、十字模具、电极单元的组合体中之后、干燥脱模之前，还包括：将包含PDMS的上述组合体放入真空箱中脱气泡。由于预聚体和固化剂都是液体，混合后容易产生气泡，液体干燥后的固体中就会带有气泡，因此，为了保障模具的质量，需要真空脱气泡。

在脱气泡处理后，电极-细胞培养组合体的细胞培养部分的结构更加密实，然后再将其放入恒温干燥箱进行干燥处理，干燥处理后PDMS凝固，然后脱去所有模具，形成最终的电极-细胞培养组合体。

S380：将预制的狭缝薄膜粘结在所述细胞培养单元的上方。

其中，可以利用激光打孔技术在PET(PET，聚对苯二甲酸乙二醇酯，具有良好的生物相容性和易加工等特点)薄膜或PLGA薄膜上打出与刺激电极以及微流控细胞通道对应的多个不同形状的孔，剪切后形成狭缝薄膜；然后利用胶水将狭缝薄膜粘结在细胞培养单元的上方。在本发明的一个实施例中，采用α-氰基丙烯酸乙酯胶水粘接狭缝薄膜，也可以采用其他种类的胶水，如环氧树脂等。

S390：在裸露的电极导线与刺激电极除正面以外的部分涂覆形成绝缘膜。

具体的，作为示例，可以将环氧树脂涂覆在裸露的电极导线与刺激电极除正面以外的其他部分，形成绝缘膜。

另外，在步骤S360将预制的PDMS混合液倒入所述电极-模具组合体中之前，还包括：对PDMS预聚体和固化剂按设定质量比例制成的混合液进行高速离心处理。高速离心处理能够使PDMS预聚体和固化剂更充分均匀地混合，而且能脱去混合液中的气泡。

为了便于在步骤S370中对卡槽模具、十字模具的脱膜处理，在一个实施例中，在将PDMS混合液倒入卡槽模具、十字模具、电极单元的组合体中的之前，还包括：将卡槽模具和十字模具涂覆一层金属-PDMS脱模剂。

下面，将以一个具体的制造复合神经微器件的实施例，来对本发明的复合神经微器件的制造方法做进一步详细的说明。

步骤一，利用248nm氟化氪准分子激光器在PMMA基板上打出多个4*4一组的圆锥阵列凹槽以及对应的定位孔，然后利用电铸工艺在PMMA模具上形成一层镍金属电极板。激光切割电极板，分离出一个个独立的刺激电极。之后将电极导线利用激光焊接技术焊接在刺激电极的底部；

步骤二，按刺激电极实物的尺寸，设计加工限制细胞培养单元大小的卡槽模具和限制微流控细胞通道、细胞附着板结构的十字模具。将卡槽模具和十字模具浸润在金属-PDMS脱模剂中十分钟，并在120°的热风箱中烘五分钟。卡槽模具、十字模具、电极单元构成一个组合体，将PDMS预聚体和固化剂按质量比10：1制成混合液高速离心后倒入其中，并在真空箱中脱气泡，然后放入热风箱中在70°下烘4小时。PDMS干燥后，脱去所有模具，形成与电极单元一体化的细胞培养单元；

步骤三，利用248nm氟化氪准分子激光器在PET薄膜上打出与刺激电极以及微流控细胞通道对应的多个不同形状的孔，剪切后形成狭缝薄膜。然后利用α-氰基丙烯酸乙酯胶水将狭缝薄膜粘结在细胞培养单元上方。为了防止刺激电极和电极导线裸露部分漏电，将环氧树脂涂覆在电极导线与刺激电极除正面以外的其他部分，形成绝缘膜。

通过以上实施例可以看出，本发明提供的复合神经微器件是一种基于微电极与微流控复合的神经微器件，它能够充分发挥电刺激与神经干细胞联合作用的优势，具体表现为：

(1)刺激电极呈圆锥阵列，能够更稳定地对受损部分的神经元进行电刺激；

(2)微流控细胞通道与刺激电极交叉紧密结合，使神经干细胞均匀、近距离地分布在刺激电极的电场空间中；

(3)轴突狭缝可以将细胞培养部分与外界环境连通。

如上参照附图以示例的方式描述根据本发明的复合神经微器件及其制造方法。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的复合神经微器件及其制造方法，尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但是在不背离权利要求限定的范围的前提下，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (12)

1.一种复合神经微器件，其特征在于，包括电极单元、细胞培养单元和封装单元；其中，

所述电极单元包括刺激电极和用于将外部电流传导至所述刺激电极的电极导线；

所述细胞培养单元位于所述刺激电极的上方，用于承载神经干细胞；

所述封装单元包括狭缝薄膜以及绝缘膜，所述狭缝薄膜位于细胞培养单元的上方，用于防止培养所述神经干细胞的细胞培养液漏出；所述绝缘膜包覆在所述电极导线以及所述刺激电极除正面以外的部分。

2.如权利要求1所述的复合神经微器件，其特征在于，

所述刺激电极为呈圆锥阵列排列的金属电极；且，所述刺激电极以其正面作为正极，以生物样品或组织作为负极，通过外界液体环境导电形成电流通路。

3.如权利要求2所述的复合神经微器件，其特征在于，所述细胞培养单元包括微流控细胞通道、细胞附着板、细胞进液口；其中，

所述微流控细胞通道用于培养所述神经干细胞；

所述细胞附着板用于增大所述神经干细胞的附着面积；

所述细胞进液口用于将所述神经干细胞注入所述微流控细胞通道。

4.如权利要求3所述的复合神经微器件，其特征在于，所述微流控细胞通道与所述刺激电极交错分布，且相互贯通，所述细胞附着板位于所述微流控细胞通道的内部，所述细胞进液口位于所述微流控细胞通道的两端。

5.如权利要求1所述的复合神经微器件，其特征在于，所述狭缝薄膜包括进胶孔、电极尖孔和轴突狭缝；其中，

所述进胶孔用于渗入胶水粘结所述细胞培养单元与所述狭缝薄膜，所述电极尖孔露出所述刺激电极的尖端，所述轴突狭缝用于将所述微流控细胞通道里的神经干细胞轴突与外界环境连通。

6.如权利要求1或5所述的复合神经微器件，其特征在于，

所述狭缝薄膜为PET薄膜；和/或，

所述绝缘膜为环氧树脂膜。

7.一种复合神经微器件的制造方法，用于制造如权利要求1-6中任一项所述的复合神经微器件，所述方法包括：

在PMMA板上通过激光打孔加工出与刺激电极形状对应的孔，形成PMMA模具；

在所述PMMA模具上形成一层金属电极板；

将所述金属电极板切割成单独的刺激电极；

将电极导线焊接在所述刺激电极的底部形成电极单元；

将所述电极单元与预制的卡槽模具、十字模具组成电极-模具组合体；其中，所述卡槽模具用于限制细胞培养单元的大小，所述十字模具用于限制微流控细胞通道、细胞附着板的结构；

将预制的PDMS混合液倒入所述电极-模具组合体中；

将包含所述PDMS混合液的电极-模具组合体放入恒温干燥箱，进行干燥，脱去所有模具，形成细胞培养单元与电极单元一体化的电极-细胞培养组合体；

将预制的狭缝薄膜粘结在所述细胞培养单元的上方；

在裸露的电极导线与刺激电极除正面以外的部分涂覆形成绝缘膜。

8.如权利要求7所述的复合神经微器件的制造方法，其中，所述PDMS混合液通过将PDMS预聚体和固化剂按设定质量比例混合制成。

9.如权利要求8所述的复合神经微器件的制造方法，其中，在将预制的PDMS混合液倒入所述电极-模具组合体之前，还包括：对所述PDMS混合液进行高速离心处理。

10.如权利要求7所述的复合神经微器件的制造方法，其中，

预制所述狭缝薄膜的方法包括：利用激光打孔技术在PET薄膜上打出与所述刺激电极以及所述微流控细胞通道对应的不同形状的孔，剪切后形成所述狭缝薄膜；

所述狭缝薄膜预制完成后，利用α-氰基丙烯酸乙酯胶水将所述狭缝薄膜粘结在所述细胞培养单元的上方。

11.如权利要求7所述的复合神经微器件的制造方法，其中，在将预制的PDMS混合液倒入所述电极-模具组合体之前，还包括：

在所述槽模具和所述十字模具上涂覆一层金属-PDMS脱模剂。

12.如权利要求11所述的复合神经微器件的制造方法，其中，在将包含所述PDMS混合液的电极-模具组合体放入恒温干燥箱之前，还包括：

将包含所述PDMS混合液的电极-模具组合体放入真空箱中进行脱气泡处理。

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