CN117297618A - 一种集成拉伸传感功能的液态金属卡肤电极及其制备方法和应用 - Google Patents
一种集成拉伸传感功能的液态金属卡肤电极及其制备方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种集成拉伸传感功能的液态金属卡肤电极及其制备方法和应用，本发明的液态金属卡肤电极能够拉伸到自身长度的数倍，避免了冗余长度，能够适应动物身体长度的变化。液态金属卡肤电极在拉伸后仍然可以保持非常好的电信号传输能力，实现外周神经电极所需的采集、反馈、长期植入、反复拉伸等性能要求。液态金属封装在柔性绝缘的封装材料之内，不会外漏，不直接与生物组织相接触，具有良好的生物相容性。此外，由于液态金属卡肤电极具有全柔性、可拉伸的特点，可以适应生物身体姿态的变化，能够得到检测对象的姿态信息。
Description
本申请要求2022年6月28日向中国国家知识产权局提交的专利申请号为2022107518641，发明名称为“一种集成拉伸传感功能的液态金属卡肤电极及其制备方法和应用”的在先申请的优先权。在先申请的全文通过引用的方式结合于本申请中。
技术领域
本发明涉及生物医学工程、神经科学、脑机接口领域，具体涉及一种集成拉伸传感功能的液态金属卡肤电极及其制备方法和应用。
背景技术
卡肤电极(cuff electrode)，也称外周神经电极，其能够与外周神经束形成连接，以获取神经信号或对神经进行刺激，其主要应用于神经科学研究、神经疾病治疗、神经假体和神经接口领域。此类电极一端为环状，包裹在外周神经束外表面与电极传感触点接触，另一端为连接器与外部设备相连，两端之间以导线相连。
目前商业化的卡肤电极多采用铂、铱、钛、钨等固态金属材料作为信号传递的导体，然而以这些固态金属为基材的电极在长度上几乎无法拉伸。而人或动物的身体非常灵活，能够弯曲、扭曲、伸展到不同的位置和长度。基于固态金属材料的卡肤电极难以跟随生物体姿态变化进行大幅度的拉伸扭曲，难以满足科学研究和临床医学对卡肤电极的需求。
由于现有的基于固态金属的卡肤电极的长度是固定的，不可拉伸，当植入动物体内时，需要留出一段额外的长度，以应对动物姿态变化造成的身体长度变化。这段额外长度的电极既要占用额外的体内空间，又容易在拉伸时发生电极端面扭转，造成神经束的应力损伤。
植入式的动物拉伸姿态传感器通常基于各种材料的应变效应原理，如金属电阻应变效应、晶体压电效应、电感应变效应、电容应变效应等。传统的固态金属卡肤电极需要尽量避免因动物姿态变化产生的应力损伤组织，使其无法利用电极材料本身的应变效应进行拉伸姿态传感。如果需要获取动物拉伸姿态信息，必须另外植入其他传感器进行测量。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种集成拉伸传感功能的液态金属卡肤电极及其制备方法和应用，所述液态金属卡肤电极能够随着动物身体姿态的变化而大幅度拉伸扭曲，并在拉伸中仍然保持非常好的信号传导能力和拉伸姿态传感功能，这是由于液态金属阻抗随拉伸程度而变化的阻抗应变效应使液态金属卡肤电极在神经信号采集功能之外可以同时集成拉伸姿态传感的功能。
本发明目的是通过如下技术方案实现的：
一种液态金属卡肤电极，所述液态金属卡肤电极包括卡肤电极环、电极本体和连接接头，所述卡肤电极环通过电极本体和连接接头形成电学连接；所述电极本体包括封装材料和液态金属，所述液态金属封装在封装材料内部。
根据本发明，所述液态金属卡肤电极用于获得身体姿态变化的信息。
根据本发明，所述电极本体具有可拉伸性，例如电极本体能够拉伸到自身长度的2倍以上，例如2倍或3倍。由于液态金属在室温下是液态的，理论上可以无限拉伸，电极本体的可拉伸程度取决于封装材料的可拉伸程度。
根据本发明，所述液态金属选自镓基液态金属。
示例性地，所述镓基液态金属选自镓铟合金(例如选自EGaIn，包括75.5％的镓、24.5％的铟(重量比)，熔点为15.5℃)，或镓铟锡合金(例如选自GaIinstan，包括68.5％的镓、21.5％铟和10.0％的锡(重量比)，熔点为10.5℃)。
根据本发明，所述液态金属中还可以掺杂导电颗粒(如银粉、铜粉、碳纳米管等)，提高电极本体的导电率，所述导电颗粒的加入量为液态金属总质量的0～20wt％。
根据本发明，所述封装材料选自可拉伸的、柔性的、具有绝缘特性的材料。
根据本发明，所述封装材料选自硅胶，所述硅胶是由AB两组分经过固化后制备得到。
根据本发明，A组分包括乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷(CAS:68083-19-2)、聚二甲基硅氧烷(CAS:9006-65-9)和水合二氧化硅(CAS:10279-57-9)；B组分包括乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷(CAS:68083-19-2)、聚二甲基硅氧烷(CAS:9006-65-9)、水合二氧化硅(CAS:10279-57-9)和氢基封端的聚二甲基硅氧烷(CAS:70900-21-9)。
示例性地，A组分包括质量百分比为30％～50％的乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷(CAS:68083-19-2)、20％～40％的聚二甲基硅氧烷(CAS:9006-65-9)、20％～40％的水合二氧化硅(CAS:10279-57-9)；B组分包括质量百分比为20％～40％的乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷(CAS:68083-19-2)、20％～40％的聚二甲基硅氧烷(CAS:9006-65-9)、20％～40％的水合二氧化硅(CAS:10279-57-9)、5％～20％的氢基封端的聚二甲基硅氧烷(CAS:70900-21-9)。
根据本发明，A组分和B组分的质量比为0.8～1.2:1.2:0.8，例如为1:1。
本发明中，通过上述A组分和B组分混合、固化后制备得到的硅胶具有可拉伸性、柔性、同时还具有绝缘特性，由其封装液态金属而形成的电极本体具有可拉伸性和柔性，即能够随着动物身体姿态的变化而大幅度拉伸扭曲，并在拉伸中仍然保持非常好的信号传导能力和拉伸姿态传感功能。
根据本发明，所述电极本体的制备方法可以是注射式或刷涂式。
示例性地，所述电极本体的制备方法(注射式)包括如下步骤：
在槽道中悬空放置金属丝，并加入混合后的AB组分，然后将整体放置于烘箱中或热板上，加热使硅胶固化；将固化成型的硅胶从槽道中取出，并抽出金属丝，得到具有中空管道的硅胶，再将液态金属灌入中空管道中，制备得到所述电极本体。
其中，电极通道数取决于插入金属丝形成中空管道的数量。所述电极通道数为一个以上，例如为1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个或10个。
示例性地，所述电极本体的制备方法(刷涂式)包括如下步骤：
准备一柔性硅胶基底，然后将液态金属刷涂在柔性硅胶基底上形成金属线，金属线表面再使用硅胶将液态金属线封装起来，制备得到所述电极本体。
其中，重复上述步骤，可以制备出多通道电极本体。
示例性地，在一柔性硅胶基底上刷涂m根液态金属线，制备n层，即可以获得m×n的多通道电极，m≥1，n≥1。
根据本发明，通过卡肤电极环将卡肤电极固定在动物的神经上，卡肤电极环能够与外周神经束形成连接，以获取神经信号或对神经进行刺激。
根据本发明，所述卡肤电极环可以采用具有柔性的导电材料制备，也可以采用具有柔性的绝缘材料包裹铂丝的方式制备。具体的卡肤电极环的制备方法为本领域已知的。
根据本发明，所述卡肤电极环外表面固定有束缚线，可将电极环绑定在神经束上，并可调整卡肤电极环与神经束的接触力度。
根据本发明，所述连接接头用于液态金属卡肤电极与外部设备的连接，如神经信号采集设备、神经电刺激设备、阻抗测量设备等。所述连接接头与外部设备的连接接头相互匹配，所述连接接头通常采用神经信号设备领域的标准连接器。
根据本发明，所述卡肤电极环、电极本体和连接接头三部分通过组装形成电学连接，并用粘合剂封装，在连接处外部形成密封绝缘层。最后用电化学工作站在生理盐水溶液中检测电极的伏安特性和阻抗。其中使用的粘合剂为本领域已知的。
根据本发明，所述卡肤电极环的内表面上设置有用于容纳生命体征检测元件的凹槽，所述生命体征检测元件与所述电极本体形成电连接，以实现对生命体征检测元件检测的生命体征信号的传输。
本发明还提供上述液态金属卡肤电极的制备方法，所述方法包括如下步骤：
1)准备卡肤电极环、电极本体和连接接头；
2)将卡肤电极环、电极本体和连接接头组装形成电学连接。
根据本发明，在连接处用粘合剂封装形成密封绝缘层。
本发明还提供上述液态金属卡肤电极的用途，其用于获得身体姿态变化的信息。
根据本发明，通过测量液态金属电极的阻抗实现对身体姿态变化的信息的获得。
本发明还提供一种获得身体姿态变化的信息的方法，所述方法包括如下步骤：
a)将外部阻抗测量设备与上述的液态金属卡肤电极中的连接接头连接；
b)将液态金属卡肤电极植入身体待测部位，通过外部阻抗测量设备向液态金属卡肤电极或液态金属卡肤电极与外部电阻构成的电桥加载小幅值(1～500mV)的直流或交流电压信号，通过测量通过液态金属卡肤电极或电桥的电流，计算出液态金属卡肤电极阻抗；
c)当液态金属卡肤电极处于拉伸状态时，电极本体的长度会增加，截面积会减小，使液态金属卡肤电极的阻抗增加；当液态金属卡肤电极处于松弛状态时，电极本体的长度会减小，截面积会增加，使液态金属卡肤电极的阻抗减小；通过布置在身体不同位置的多个液态金属卡肤电极阻抗的共模变化反映出身体总长度的变化，多个液态金属卡肤电极阻抗的差模变化反映出身体向左右上下方向弯曲的变化。
根据本发明，所述阻抗测量设备可以采用阻抗分析仪、电化学工作站等。阻抗测量方法可以采用伏安法或电桥法。
根据本发明，通过在身体不同位置植入所述液态金属卡肤电极，通过测量这些位置的液态金属卡肤电极阻抗的变化，可以计算出该部位的身体局部长度、局部弯曲等数据，实现对复杂身体运动状态的检测，例如上肢的抓取动作、下肢的行走动作、静息等身体状态的检测。
本发明的有益效果：
液态金属卡肤电极能够拉伸到自身长度的数倍，避免了冗余长度，能够适应动物身体长度的变化。液态金属卡肤电极在拉伸后仍然可以保持非常好的电信号传输能力，实现外周神经电极所需的采集、反馈、长期植入、反复拉伸等性能要求。液态金属封装在柔性绝缘的封装材料之内，不会外漏，不直接与生物组织相接触，具有良好的生物相容性。此外，由于液态金属卡肤电极具有全柔性、可拉伸的特点，可以适应生物身体姿态的变化，能够得到检测对象的姿态信息。
附图说明
图1为液态金属卡肤电极的结构示意图。
图2为注射式制备液态金属电极本体的工艺流程图。
图3为刷涂式制备液态金属电极本体的工艺流程图。
图4为液态金属卡肤电极在动物体内拉伸示意图。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
液态金属多通道卡肤电极的制备、动物在体植入及信号采集与刺激
(一)制备
采用注射式方法制备多通道电极本体，封装材料使用硅胶，该电极本体可以拉伸到自身长度的2倍。具体的制备过程如下所述：
在槽道中悬空放置2根金属丝，并加入质量比为1:1的AB组分混合物，然后将整体放置于烘箱中或热板上，70℃加热30min使硅胶固化；将固化成型的硅胶从槽道中取出，并抽出金属丝，就得到具有中空管道的硅胶，再将液态金属EGaIn(包括75.5％的镓、24.5％的铟(重量比)，熔点为15.5℃)灌入管道中，制备得到所述电极本体。
A组分包括质量百分比为40.1％的乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷(CAS:68083-19-2)、30％的聚二甲基硅氧烷(CAS:9006-65-9)、29.9％的水合二氧化硅(CAS:10279-57-9)；B组分包括质量百分比30.1％的乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷(CAS:68083-19-2)、30％的聚二甲基硅氧烷(CAS:9006-65-9)、29.9％的水合二氧化硅(CAS:10279-57-9)、10％的氢基封端的聚二甲基硅氧烷(CAS:70900-21-9)
(二)植入
卡肤电极环扣在大鼠坐骨神经上，连接器固定在大鼠头部，整根液态金属电极埋在大鼠皮下。
(三)神经信号采集与神经刺激
通过大鼠头部固定的连接器与神经信号采集设备连接，能够在大鼠运动或静息状态下采集、显示和存储大鼠坐骨神经信号。电极与神经刺激设备连接，能够向大鼠坐骨神经发送刺激信号，并观察到大鼠对应侧后肢被神经刺激激发的反射运动。在大鼠身体姿态变化，如拉伸、扭转等情况下，电极仍然保持信号采集和刺激功能。
(四)动物姿态信息传感
通过大鼠头部固定的连接器与阻抗分析仪、电化学工作站连接，采用伏安法或电桥法向电极加载直流或交流电压信号。以交流电伏安法为例，电化学工作站直接连接液态金属卡肤电极，加载100毫伏，1000赫兹的交流电压。大鼠身体向左侧弯曲和伸直时，测量电流分别为：17微安，22微安。可计算得到阻抗分别为：5.9千欧，4.5千欧。阻抗值的变化可以反映出动物身体姿态变化的程度。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种液态金属卡肤电极，其中，所述液态金属卡肤电极包括卡肤电极环、电极本体和连接接头，所述卡肤电极环通过电极本体和连接接头形成电学连接；所述电极本体包括封装材料和液态金属，所述液态金属封装在封装材料内部。
2.根据权利要求1所述的液态金属卡肤电极，其中，所述液态金属卡肤电极用于获得身体姿态变化的信息。
3.根据权利要求1所述的液态金属卡肤电极，其中，所述液态金属选自镓基液态金属。
优选地，所述液态金属中还可以掺杂导电颗粒(如银粉、铜粉、碳纳米管)。
4.根据权利要求1所述的液态金属卡肤电极，其中，所述封装材料选自硅胶，所述硅胶是由AB两组分经过固化后制备得到；
A组分包括乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、水合二氧化硅；B组分包括乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷、聚二甲基硅氧烷、水合二氧化硅和氢基封端的聚二甲基硅氧烷；
和/或，A组分和B组分的质量比为0.8～1.2:1.2:0.8。
5.根据权利要求1所述的液态金属卡肤电极，其中，所述电极本体的制备方法包括如下步骤：
在槽道中悬空放置金属丝，并加入混合后的AB组分，然后将整体放置于烘箱中或热板上，加热使硅胶固化；将固化成型的硅胶从槽道中取出，并抽出将金属丝，得到具有中空管道的硅胶，再将液态金属灌入管道中，制备得到所述电极本体。
6.根据权利要求1所述的液态金属卡肤电极，其中，所述电极本体的制备方法包括如下步骤：
准备一柔性硅胶基底，然后将液态金属刷涂在柔性硅胶基底上形成金属线，金属线表面再使用硅胶将液态金属线封装起来，制备得到所述电极本体。
7.根据权利要求1所述的液态金属卡肤电极，其中，通过卡肤电极环将卡肤电极固定在动物的神经上，卡肤电极环能够与外周神经束形成连接，以获取神经信号或对神经进行刺激；
和/或，所述卡肤电极环外表面固定有束缚线，可将电极环绑定在神经束上，并可调整电极环与神经束的接触力度；
和/或，所述连接接头用于卡肤电极与外部设备的连接，所述外部设备为神经信号采集设备、神经电刺激设备或阻抗测量设备。
8.权利要求1-7任一项所述的液态金属卡肤电极的用途，其用于获得身体姿态变化的信息。
9.根据权利要求8所述的用途，其中，通过测量液态金属电极的阻抗实现对身体姿态变化的信息的获得。
10.一种获得身体姿态变化的信息的方法，所述方法包括如下步骤：
a)将外部阻抗测量设备与权利要求1-7任一项所述的液态金属卡肤电极中的连接接头连接；
b)将液态金属卡肤电极植入身体待测部位，通过外部阻抗测量设备向液态金属卡肤电极、或液态金属卡肤电极与外部电阻构成的电桥加载小幅值的直流或交流电压信号，通过测量通过液态金属卡肤电极或电桥的电流，计算出液态金属卡肤电极阻抗；
c)当液态金属卡肤电极处于拉伸状态时，电极本体的长度会增加，截面积会减小，使液态金属卡肤电极的阻抗增加；当液态金属卡肤电极处于松弛状态时，电极本体的长度会减小，截面积会增加，使液态金属卡肤电极的阻抗减小；通过植入在身体不同位置的多个液态金属卡肤电极阻抗的共模变化反映出身体总长度的变化，多个液态金属卡肤电极阻抗的差模变化反映出身体向左右上下方向弯曲的变化。
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