TWI427660B - 高纏繞密度之四聯電極製造方法 - Google Patents

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高纏繞密度之四聯電極製造方法
本發明係有關於一種四聯電極的製造方法，尤其可快速製備出神經電生理所需之四聯電極，對於需要大量四聯電極配合之微推進器製造商，具有市場價值。
生物電訊號的極化現象、局部電位和動作電位，都可以用細胞內電紀錄(intracellular recording)的方法測出。早期的測量通常使用非常微細的玻璃微電極插入細胞中測量，通常測的是電壓的變化，也可以測電流的變化。
一般生物體內不斷變化著的微小電訊號，還是可以用精密的電壓計從身體表面測量得到，依據電訊號的來源，稱之為心電圖(electrocardiogram)、腦波圖(electroencephalogram)、肌電圖(electromyogram)。
神經細胞的膜電位可以用微電極量測出。所謂的「電極」，其實只是一根尖端裸露而其餘部分有絕緣的導線。不過由於我們所記錄的對象為直徑僅約50到100微米(μm)左右的細胞，因此電極的直徑需極纖細，以求能盡量靠近細胞甚至插入細胞內記錄，所以這些纖細的記錄電極就稱為「微電極」。對於多通道、清醒動物的神經訊號記錄工作而言，金屬微電極為較佳的選擇。金屬微電極要夠細，最好是在100微米(μm)以下。目前製造金屬微電極的細導線材料有鉑、銥、不銹鋼和鎢等，於其外加上絕緣塗覆後，電極外徑大概可以維持在直徑20至100微米(μm)之間。但尖端如果經由較精密的蝕刻方式加工，記錄端點的導體部份還是可以維持在5微米(μm)以下。電極要越細越好，這是製作電極的基本夢想，因為細的電極不僅可以更靠近所要記錄的神經細胞，而且在埋設過程中，對腦組織的傷害也可以降到最低。
在電極製造方面，目前多通道記錄法的電極需求不斷的往多(數百至千頻道)和微小(奈米尺度)的方向發展，藉由半導體及奈米加工的技術製造電極是目前的趨勢。而此類電極更進一歩的趨勢是將多通道感測部、導線及前端類比電路皆整合於單一晶片中，有效降低電極整體體積。電極另外一個設計趨勢為「四聯電極」(tetrode)的發展。
目前神經元電訊號之分類以波形分析為基礎，相似波形被認為是同一神經元所產生，但在單一電極的基礎下，雜訊有時會嚴重扭曲原本的波形而造成誤判。另外，對於多顆神經元合成的複合動作電位訊號也難以用單一電極的記錄判讀出。這類複合訊號波形發生在神經元近乎同步放電的過程中，此時兩個不同神經元的動作電位波形常會部份或全部疊加成新波形，造成分析上誤判為新的訊號來源。
為了解決這種誤差，最新的技術為採取多電極策略，將多個電極集中在一小塊區域中，利用訊號隨距離衰減的特性，同時記錄同一來源的電位訊號之多維資訊。理論上解析出正確波形最少需要四個電極頻道所記錄之訊號，因應這樣的需求所發展出聚集四個記錄點之電極稱作四聯電極(tetrode)。
目前在實作上有兩類型的tetrode，一是利用類似半導體之微機電製程所做的平板狀電極組。此類型電極需求的製程設備及技術門檻均相當高，並非一般電生理實驗室所能自製的，需仰賴高價的商品化產品。另外一類型的tetrode則是由四股直徑在30μm以下之微金屬絲纏繞緊實之後再以利剪橫向截斷，如此就會有四個緊靠之記錄點，此法較簡單，可在一般電生理實驗室中自行製造。
在之前見諸文獻的製造方法中，將微金屬絲纏繞緊實之步驟頗為繁複，目前主要是根據Gray等人於1995年所發展出來的方法。其主要步驟包含將四條微金屬絲緊箍成束，再將其扭轉纏繞(一般只纏繞至每公分20轉左右)固定此四股線的相對位置。接著以熱熔的方式將此四股微金屬絲的絕緣部份熔合以增加電極的硬度並維持四股纏繞的構型不變。但這些製作步驟相當耗時，對於一次需製備10根以上的四聯電極之微推進器使用而言，對實驗者的負擔極大。另外在電極的熱熔過程中，不管是使用火焰直接短暫熱烤或是使用高溫熱風較長時間吹烘，如何拿捏溫度的高低、加熱的時間以及熱源與加工物之間的距離對製作者亦是一大考驗，因為微金屬絲的絕緣部份極薄，厚度通常在5微米以下，溫度稍高或是加熱時間稍長很容易就造成絕緣完全破裂而使四根金屬絲出現短路的現象。因此本發明即是針對製作耗時以及需加熱熔合的缺點，提出一個新的四聯電極結構，以高纏繞密度的構型穩定四股金屬絲的緊密度，同時並可增加電極的硬度，符合實驗所需。
是以，本案發明人鑑於上述習用四聯電極的製造方法所衍生的各項缺點，乃亟思加以改良創新，並經多年苦心孤詣潛心研究後，終於成功研發完成本件高纏繞密度之四聯電極製造方法。
本發明之主要目的，在提供一種四聯電極的製造方法，尤其可快速製備出神經電生理所需之四聯電極，對於需要大量四聯電極配合之微推進器製造商，具有市場價值。
在一實施例中揭露一種四聯電極的製造方法，其包括：提供一導電性材料作為待加工件，並將四段該待加工件收集成束並固定為第一端點，待加工件另一端為第二端點；以第一金屬夾固定該待加工件之第一端點，及以第二金屬夾固定該待加工件之第二端點；懸吊固定該第一金屬夾於磁性攪拌器的平板上方，使該第二金屬夾垂直於該磁性攪拌器上方並吸引而相對固定於該磁性攪拌器之上；設定一運作時間並啟動該磁性攪拌器，該第二金屬夾受該磁性攪拌器旋轉而使該待加工件相互纏繞；待該磁性攪拌器達該運作時間，關掉該磁性攪拌器，讓旋轉中的該待加工件自然停止轉動；去除該第一金屬夾及該第二金屬夾後即成四聯電極。
在本發明之四聯電極的製造方法中，待加工件的製程材料為金屬微絲，而金屬微絲的製程材料可為銅、銀、金或鎳鉻合金金屬微絲。且待加工件包覆絕緣材質或聚乙烯二甲縮醛樹脂。
在本發明之四聯電極的製造方法中，磁性攪拌器轉速為每秒4~ 10轉，且磁性攪拌器旋轉維持30~ 60秒。
在本發明之四聯電極的製造方法中，四聯電極為每公分纏繞密度為50轉以上之構型。
本發明係以下面的實施例予以示範闡明，但本發明不受下述實施例所限制。
以聚乙烯二甲縮醛樹脂(formvar)作為絕緣材質之鎳鉻合金(nichrome)金屬微絲(#761000,AM Systems,Carlsborg,WA；金屬內徑0.0007英吋，含絕緣部之總外徑0.001英吋)為例說明製程。
1.取四段長為10公分的微金屬絲，將四股線先稍集成束，以手指捏緊其中一端，再用另一手的手指沾水順過整段絲束，使四股線因水的作用而緊密沾黏。
2.兩根止血鉗(#13-028-120;12 cm straight,Allgaier Instrumente,Germany)之鋸齒端均以矽膠管(#807600,AM Systems,Carlsborg,WA;0.058 inch×0.077 inch×0.0095 inch)套住，再將因水而緊黏成束的金屬絲兩端2公分內的長度各以止血鉗夾緊。此時在兩止血鉗間的金屬絲長度為6公分。手持一端之止血鉗，令一端之止血鉗則垂直懸於一磁性攪拌器(LMS，Tokyo，Japan；HTS-1003)的平板上方。將攪拌器轉速設定在等級3(每秒約7~ 8轉)，轉40秒，則如此直徑的金屬絲束將呈現每公分纏繞密度為50轉以上之構型。待旋轉時間已達需求，此時關掉攪拌器，讓旋轉中的金屬絲束自然停止轉動。待金屬絲束靜止時，移去兩端的止血鉗，以銳利的剪刀於中間截斷已纏繞好的金屬絲束，如此就完成兩根四聯電極了。每一根四聯電極未纏繞端的四股分離的金屬絲，可以進一步依實驗需要焊接於各種轉接座上。
3.實驗結果：
(1)如圖一A，以掃描式電子顯微鏡觀測四聯電極(tetrode)的結構。這些四聯電極(tetrode)均以四股鎳鉻合金(nichrome)為導體材質，聚乙烯二甲縮醛樹脂(formvar)為絕緣材質，外徑約25μm之微金屬絲纏繞而成之四聯電極(tetrode)。上列為各為四聯電極(tetrode)的記錄端橫截面、下列為電極前端側照圖，數字為其纏繞密度之轉數(轉/cm)。圖一B為纏繞密度最緊時(75轉/cm)，其電極前端側照圖與電極末端纏繞鬆開處之側照圖。由AB兩組圖可看出，每公分纏繞密度為50轉以上之構型，其四股微金屬絲緊密結合，且其絕緣部分在整個纏繞過程均未破損。
(2)圖二為利用自製的四聯電極(tetrode)在大鼠腦內隻海馬迴內所記錄到的神經元動作電位訊號，電極在老鼠腦中錄持續埋殖19、20、21天的記錄品質測試。圖二A為以peak valley、PC2為座標軸的分布圖，數字代表分類的群聚。圖二B四個波形圖、每個圖代表一個神經元在四個分支電極上的記錄波形。上千個波形重疊的結果顯示，此四聯電極的四個分支電極均可記錄到同一神經元的訊號，並且在二維的分類平面上，也可以很容易的被劃分出來。
本發明所發展之四聯電極製造方法，與其他習用之四聯電極製造技術相互比較時，更具有下列之優點：
1.高纏繞密度的設計使電極不須各種耗時的熱熔或上膠程序，即能獲得穩固且耐用的結構。
2.製作步驟比之前的方法更簡化，製作所需時間更大幅縮減。
以上，可得知此案之「四聯電極製造方法」為可行之技術，並已在此驗證結果中得到證實。
上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。
綜上所述，本案所提供新穎四聯電極的製造方法不但為一創新的四聯電極製造技術，並具有上述多項功效，應已充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件，爰依法提出申請，懇請　貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。
圖一、係本發明在掃描式電子顯微鏡攝影下的微結構影像，參考尺標長度為50微米。(A)為各為四聯電極(tetrode)的記錄端橫截面、為電極前端側照圖，數字為其纏繞密度之轉數(轉/cm)；(B)為纏繞密度最緊時(75轉/cm)，其電極前端側照圖與電極末端纏繞鬆開處之側照圖；(C)係本發明橫截面之結構，參考尺標長度為20微米。
圖二、係本發明自製的四聯電極(tetrode)在大鼠腦內隻海馬迴內所記錄到的神經元動作電位訊號，電極在老鼠腦中錄持續埋殖19、20、21天的記錄品質測試。(A)為以peak valley、PC2為座標軸的分布圖，數字代表分類的群聚；(B)為四個波形圖，每個圖代表一個神經元在四個分支電極上的記錄波形。

Claims (11)

  1. 一種四聯電極的製造方法，其包括：提供一導電性材料作為待加工件，並將四段該待加工件收集成束並固定為第一端點，待加工件另一端為第二端點；以第一金屬夾固定該待加工件之第一端點，及以第二金屬夾固定該待加工件之第二端點；懸吊固定該第一金屬夾於磁性攪拌器的平板上方，使該第二金屬夾垂直於該磁性攪拌器上方並吸引而相對固定於該磁性攪拌器之上；設定一運作時間並啟動該磁性攪拌器，該第二金屬夾受該磁性攪拌器旋轉而使該待加工件相互纏繞；待該磁性攪拌器達該運作時間，關掉該磁性攪拌器，讓旋轉中的該待加工件自然停止轉動；去除該第一金屬夾及該第二金屬夾後即成四聯電極。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該待加工件的製程材料係為金屬微絲。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該金屬微絲的製程材料為銅、銀、金、鎳鉻合金或不銹鋼。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該金屬微絲為鎳鉻合金金屬微絲。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該待加工件包覆絕緣材質。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該絕緣材質為聚乙烯二甲縮醛樹脂。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該磁性攪拌器轉速為每秒4~ 10轉。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該磁性攪拌器旋轉維持30~ 60秒。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該四聯電極為每公分纏繞密度為50轉以上之構型。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該四聯電極為每公分纏繞密度為50轉之構型。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該四聯電極為每公分纏繞密度為75轉之構型。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US2794933A (en) * 1952-03-15 1957-06-04 Eitel Mccullough Inc Ceramic tetrode
WO1983002369A1 (en) * 1981-12-23 1983-07-07 Mohacsy, Tibor Semiconductor tetrode
TW200904746A (en) * 2007-05-22 2009-02-01 Nantero Inc Triodes using nanofabric articles and methods of making the same

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