CN116421193A - 一种生物融合型立体神经电极 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物融合型立体神经电极，包括深度传感单元与平面传感单元两部分。能同时获取皮质表层局部场电位和深层脑电复合信号，且具有良好的生物相容性与顺应性。平面传感单元最大长度为5～20mm，厚度小于100μm，为保证神经电极精度，传感线路最小直径小于等于50μm，深度传感单元直径小于等于75μm，植入深度范围2～5mm。平面传感单元部分的传感通道数为16～50个，深度传感单元部分的传感通道数为25～60个。制造过程中在平面传感单元上预留出微通道等耦合结构，通过自下而上通过逐层打印并组装的方式实现神经电极的一体化制造。

Description

一种生物融合型立体神经电极

技术领域

本发明属于神经电极技术领域，具体涉及一种生物融合型立体神经电极。

背景技术

脑科学是当今全球科学研究重要发展方向之一，是世界各国间科学竞争的制高点之一。植入式神经电极能够针对大脑皮层指定部位获取神经电信号和输入指令，对实现长期以来的理解脑、控制脑、开发脑等脑科学的高级目标具有十分重要的意义和应用价值。目前可植入式神经接口在医疗领域，包括深部脑刺激治疗神经疾病、脑控工具和脑力增强等方面已经展示出巨大的应用前景。稳定的多维度神经接口技术不仅可以为深入理解脑指令的独特性、进行脑疾病的诊断、治疗以及修复等研究提供更加精准的神经活动解码与调控手段，也有助于实现机械骨骼等现代化装备与大脑神经系统的深度融合，有效恢复神经损伤人员的肢体操控、感官、记忆能力，具有重要的研究与应用价值。

植入式神经电极直接与神经组织相接触，是神经组织与外部仪器设备进行电信号流通的桥梁，电极对神经系统的作用表现为：一是对神经活动产生的动作电位(spike)进行检测和记录，二是输入信号作用于目标神经区域，实现神经组织的电刺激或抑制神经活动。目前植入式神经电极主要可以分为微丝阵列电极、犹他电极和密歇根电极，目前神经电极的发展与应用也都存在着一定的问题，主要表现为电极微型化发展与导电性存在内在矛盾；电极柔性化发展与植入性之间存在矛盾；以及电极生物融合性发展与电学性能之间存在矛盾。现有电极大多只针对皮层表面或者脑深部单一区域的信号采集和刺激，无法同时获取完整表层场电位和局部动作电位的立体范围内的脑电信号。因此，构建一种能同时获取皮质表层局部场电位和深层脑电复合信号，具有很好的顺应性的生物型神经接口，通过诱导神经元突触的攀附和网络的形成来促进细胞与神经接口的生物融合，实现神经电极对细胞到组织多层次多维度的信号获取和传递是该领域的必然需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种生物融合型立体神经电极，用于解决三维空间脑电信号同步记录的技术问题，以实现同时获取皮质表层局部场电位和深层脑电复合信号的功能。

本发明采用以下技术方案：

一种生物融合型立体神经电极，包括平面传感单元，以及排布在平面传感单元上的多个深度传感单元，深度传感单元和平面传感单元耦合连接构成生物融合型立体神经电极，能够同时获取皮质表层局部场电位和深层脑电复合信号。

具体的，平面传感单元为矩形、圆形或多边形结构，传感线路最小直径小于等于50μm。

进一步的，平面传感单元的最大长度为5～20mm，厚度小于100μm。

进一步的，平面传感单元包括三层结构，从下至上依次包括硬质平面基底、软平面生物基底层和生物封装层。

更进一步的，软平面生物基底层上设置有耦合凹槽及导电线路，生物封装层上设置有预电极开口。

具体的，深度传感单元的直径小于等于75μm，植入深度为2～5mm。

进一步的，深度传感单元包括三层结构，从内至外依次为主体电极材料、导电生物层及变模量层。

具体的，深度传感单元的弹性模量小于100kPa，平面传感单元的薄膜传感单元延展率大于20％。

具体的，深度传感单元的传感通道数为25～60个，平面传感单元的传感通道数为16～50个。

具体的，生物融合型立体神经电极在体脑电信号的检出率大于80％，电导率大于等于金属铂电极的3～5倍，并持续监测60天。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

一种生物融合型立体神经电极，通过耦合深度电极与平面电极，可以实现同时获取皮质表层局部场电位和深层脑电复合信号，解决三维空间脑电信号同步记录的难题，有望为神经解码和精准控制提供更加可靠的前端信息采集途径。且提出在高生物相容性、高顺应性的水凝胶基底上直接采取打印碳基传感线路的方式制造贴片电极的新思路，有望解决硅基传感器件因与脑组织的生物/物理匹配性差异而导致电极逐渐失效的领域性难题，实现纯柔性、生物型传感接口器件的自由制造。在深度传感单元部分，提出芯鞘结构的植入式探针电极的设计思路，通过给微米级碳基芯包裹可调节模量及微结构的生物伪装层，来实现对皮质内神经细胞及突触的诱导和降低胶质细胞的异物反应而引发的瘢痕效应。伪装层的弹性模量变化范围达到两个数量级以上，解决了一直以来的植入所需的高刚度和使用中高顺应性相互矛盾的难题。

进一步的，平面传感单元线路最小直径小于等于50μm，可实现在较小电极平面内实现更多记录位点。另外，平面传感单元厚度小于100μm，提高电极植入后与脑皮层的贴合度。

进一步的，平面传感单元从上至下依次包括硬质平面基底、软平面生物基底和生物封装层，既可以满足电极与脑皮层良好的贴合及良好的生物相容性，又便于后续的封装。

进一步的，平面传感单元软平面生物基底层上设置有耦合凹槽及导电线路，生物封装层上设置有预电极开口。便于与深度传感单元的耦合装配。

进一步的，深度传感单元直径小于等于75μm，减小了电极的体积，减少电极植入后的瘢痕效应，提高电极的使用寿命。

进一步的，深度传感单元主体材料为金属材料或碳基材料等导电材料；导电生物层为掺杂了具有导电性能材料的生物相容性良好的水凝胶层；变模量层为凝固后模量较高，在脑组织区域可快速降解的材料，如聚乙二醇、丝素蛋白等，其作用在于方便电极的植入。降解后与脑组织直接接触的为生物层材料以保证电极良好的生物相容性。

进一步的，深度传感单元弹性模量小于100kPa，降低电极与脑组织之间的模量差，平面传感单元延展率大于20％，便于电极的植入后更好的与脑组织贴附。

综上所述，本发明生物融合型立体神经电极可以同时获取皮质表层局部场电位和深层脑电复合信号，且提出在高生物相容性、高顺应性的水凝胶基底上直接采取打印传感线路的方式制造贴片电极的新思路，提出建立微米级芯线包裹可调节模量及微结构的生物伪装层，来实现对皮质内神经细胞及突触的诱导和降低胶质细胞的异物反应而引发的瘢痕效应。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为深度传感单元结构示意图；

图3为平面传感单元结构示意图。

其中：1.深度传感单元；101.电极主体；102.导电生物层；103.变模量层；2.平面传感单元；201.平面基底；202.导电线路；203.软平面生物基底层；204.生物封装层；205.耦合凹槽；206.电极开口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”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发明和简化描述，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发明的限制。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地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种生物融合型立体神经电极，包括深度传感单元与平面传感单元两部分。能同时获取皮质表层局部场电位和深层脑电复合信号，且具有良好的生物相容性与顺应性。平面传感单元最大长度为5～20mm，厚度小于100μm，为保证神经电极精度，传感线路最小直径小于等于50μm，深度传感单元直径小于等于75μm，植入深度范围2～5mm。平面传感单元部分的传感通道数为16～50个，深度传感单元部分的传感通道数为25～60个。制造过程中在平面传感单元上预留出微通道等耦合结构，通过自下而上通过逐层打印并组装的方式实现神经电极的一体化制造。

请参阅图1，本发明一种生物融合型立体神经电极，包括深度传感单元1与平面传感单元2两部分，多个深度传感单元1间隔设置在平面传感单元2上，深度传感单元1和平面传感单元2耦合构成生物融合型立体神经电极，能够同时获取皮质表层局部场电位和深层脑电复合信号，且具有良好的生物相容性与顺应性。

平面传感单元2为矩形、圆形或多边形，最大长度为5～20mm，厚度小于100μm，传感线路最小直径小于等于50μm，深度传感单元1的直径小于等于75μm，植入深度为2～5mm。

平面传感单元2的传感通道数为16～50个，深度传感单元1的传感通道数为25～60个。

平面传感单元2的薄膜传感单元延展率大于20％；深度传感单元1的弹性模量小于100kPa。

请参阅图2，深度传感单元1包括主体电极材料101、导电生物层102及变模量层103，主体电极材料101包括多个，多个主体电极材料101设置在变模量层103内，导电生物层102设置在每个主体电极材料101的外侧。

主体电极材料101为金属材料或碳基材料等导电材料；

导电生物层102为掺杂了具有导电性能材料的生物相容性良好的水凝胶层；

变模量层103为凝固后模量较高，在脑组织区域可快速降解的材料，如聚乙二醇、丝素蛋白等，其作用在于方便电极的植入；降解后与脑组织直接接触的为生物层材料以保证电极良好的生物相容性。

每一束电极包含多根电极丝，电极丝按照不同深度范围排列，导电生物薄膜包被变测量深度的电极丝，形成可测量不同皮层深度方向的电信号的效果。

请参阅图3，平面传感单元2包括硬质平面基底201、软平面生物基底层203、生物封装层204及导电线路202，生物封装层204设置在软平面生物基底层203的上侧，硬质平面基底201设置在软平面生物基底层203的下侧。

硬质平面基底201的材料可生物降解。

软平面生物基底层203与生物封装层204的弹性模量与脑皮层相匹配，且生物相容性良好，如水凝胶等类型的材料。

导电线路202为导电性良好的材料，如金属或碳基材料等。

软平面生物基底层203设置有耦合凹槽205，以便于连接深度传感单元1线路；生物封装层204预留出可暴露平面传感单元2及深度传感单元1位点的电极开口206。

本发明生物融合型立体神经电极在体脑电信号检出率大于80％，并持续监测60天以满足高生物融合性。

综上所述，本发明一种生物融合型立体神经电极，实现同时获取皮质表层局部场电位和深层脑电复合信号，解决三维空间脑电信号同步记录的难题。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生物融合型立体神经电极，其特征在于，包括平面传感单元(2)，以及排布在平面传感单元(2)上的多个深度传感单元(1)，深度传感单元(1)和平面传感单元(2)耦合连接构成生物融合型立体神经电极，能够同时获取皮质表层局部场电位和深层脑电复合信号。

2.根据权利要求1所述的生物融合型立体神经电极，其特征在于，平面传感单元(2)为矩形、圆形或多边形结构，传感线路最小直径小于等于50μm。

3.根据权利要求2所述的生物融合型立体神经电极，其特征在于，平面传感单元(2)的最大长度为5～20mm，厚度小于100μm。

4.根据权利要求2所述的生物融合型立体神经电极，其特征在于，平面传感单元(2)包括三层结构，从下至上依次包括硬质平面基底(201)、软平面生物基底层(203)和生物封装层(204)。

5.根据权利要求4所述的生物融合型立体神经电极，其特征在于，软平面生物基底层(203)上设置有耦合凹槽(205)及导电线路(202)，生物封装层(204)上预设置有电极开口(206)。

6.根据权利要求1所述的生物融合型立体神经电极，其特征在于，深度传感单元(1)的直径小于等于75μm，植入深度为2～5mm。

7.根据权利要求6所述的生物融合型立体神经电极，其特征在于，深度传感单元(1)包括三层结构，从内至外依次为主体电极材料(101)、导电生物层(102)及变模量层(103)。

8.根据权利要求1所述的生物融合型立体神经电极，其特征在于，深度传感单元(1)的弹性模量小于100kPa，平面传感单元(2)的薄膜传感单元延展率大于20％。

9.根据权利要求1所述的生物融合型立体神经电极，其特征在于，深度传感单元(1)的传感通道数为25～60个，平面传感单元(2)的传感通道数为16～50个。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的生物融合型立体神经电极，其特征在于，生物融合型立体神经电极在体脑电信号的检出率大于80％，并持续监测60天。

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