专利名称：植入式神经电极阵列系统及其制作方法
技术领域：
本发明涉及植入式医用器械技术领域，特别涉及一种植入式神经电极阵列系统及其制作方法。
背景技术：
从本杰明·富兰克林最早发现电流能够用于治疗瘫痪，到最近几年脑机接口技术 (Brain Computer Interface, BCI)发展成为科学研究的一个热点，几个世纪以来，神经电极是人们研究生物神经系统的工作方式以及治疗其功能紊乱的一个重要工具。一方面，它用来采集生物神经元的动作电信号，发送到外部电子计算机设备用于处理和分析；另一方面，将电子计算机设备的指令信号作用到生物神经元上，实现从外界对生物的信号传送。以神经电极阵列为基础的BCI技术近年来受到极大关注，发展非常迅速，它是二十一世纪最具有发展前途的微纳技术、生物科学技术和信息科学技术相互融合交叉的领域。2001年，美国麻省理工学院(MIT)出版的《技术评论》(Technology Review)将BCI技术列为未来改变世界的十大新兴技术之首。该技术将在以下三个方面产生重大影响。首先是医疗与康复技术，使用神经电极阵列系统可以使截瘫等神经传导受损性疾病患者能够随心地控制假肢、 轮椅等工具；帕金森氏综合症患者通过植入神经电极，刺激相关大脑皮层神经元，控制疾病症状的发生；癫痫病患者使用神经电极阵列可以准确定位病灶的位置，它是手术治疗癫痫病的技术基础。第二是救援和军事方面，神经电极阵列植入动物(如大鼠)大脑，可以控制它进入现有技术难以或不便进入的地区，完成特殊任务，例如矿难或自然灾害中幸存人员搜索、战场侦察等。第三是对科学发展本身的贡献，人类对大脑具体工作机理和方式的认识仍然只是冰山的一角，神经电极阵列的研究和发展，为研究大脑、实现脑信号的直接读取和控制提供了一种非常有效的研究工具。最初，人们利用表面涂有有机膜的钨丝作为探针电极，开始进行细胞级的中枢神经系统研究，这种电极也称为微丝(Microwire)电极。1969年，Stanford大学的Wise等首次利用半导体工艺中的光刻技术，研制了硅材料的神经电极阵列。这种技术使得每个探针上有多个电极，而且植入动物体后，对神经细胞的损伤比微丝探针要小得多。但囿于当时半导体工艺水平的限制，硅电极的制作精度难以保证。1991年，Utah大学的Campbell等报道了利用切割和湿法腐蚀技术制备的Utah微电极阵列。这种电极阵列具有很好的工艺重复性、强度和韧性，圆锥形的探针形状使得电极的植入比较容易。然而，以硅材料为基底的神经电极阵列为固体形态，在与生物组织接触时，难免会对生物组织造成一定的损伤。2000 年，T. Stieglitz在聚酰亚胺衬底上制作柔性的微电极阵列，并将其弯曲成套筒状，制作成 Cuff电极；2006和2008年，D. C. Rodger在帕利灵衬底上制作了用于视网膜修复的神经电极阵列，并报道了该阵列的高密度封装方法。然而，无论是聚酰亚胺还是帕利灵，虽然它们都是化学性质稳定的有机材料，但是作为植入式神经电极阵列的基底材料，仍然需要大量的实验研究确定其生物相容性。此外，这些材料虽然具有一定的柔性，但其杨氏模量都比生物的神经组织高3个数量级以上，仍然容易对神经组织造成损伤。
医用硅橡胶是一种广泛用于植入式医疗器械的、具有优异生物相容性的柔性有机材料。将医用硅橡胶材料与微加工工艺相结合，就可以制作出符合长期植入应用的柔性神经电极阵列。然而，由于医用硅橡胶材料具有很大的热膨胀系数，在微加工过程中不同的加工温度下会产生很大的热应变，容易对其他工艺材料造成破坏性的影响，阻碍微加工的顺利进行。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是如何提供一种植入式神经电极阵列系统及其制作方法，以克服医用硅橡胶材料在微加工过程中的热应变问题。( 二 )技术方案为解决上述技术问题，本发明提供一种植入式神经电极阵列系统，其包括电极阵列100、外引线300和医用硅橡胶材料的包装体400 ；所述电极阵列100包括一个或者多个神经电极101 ；所述电极阵列100固定在所述包装体400内部；所述包装体400上设置有仅使所述神经电极101裸露的通孔；所述系统还包括，密闭封装在所述包装体400内部的内嵌电路200，所述内嵌电路 200包括处理芯片203 ；所述神经电极101连接所述处理芯片203 ；所述外引线300的第一端连接所述处理芯片203，第二端延伸至所述包装体400的外部。优选地，所述内嵌电路200还包括内引线201和压力传感器202 ；所述神经电极101和压力传感器202分别通过所述内引线201连接所述处理芯片 203 ；所述处理芯片203通过所述内引线201连接所述外引线300的第一端。优选地，所述内嵌电路200还包括若干键合金属块204，所述外引线300的第一端、 压力传感器202和处理芯片203均与相应的键合金属块204连接。优选地，所述处理芯片203包括信号放大模块、模数转换模块、多通道选通模块和时序控制模块；所述信号放大模块，与所述神经电极101以及压力传感器202均相连，用于放大所述神经电极101和压力传感器202采集到的信号；所述模数转换模块，与所述信号放大模块相连，用于将所述信号放大模块放大后的信号转换为数字信号；所述多通道选通模块，与所述模数转换模块相连，用于将从不同的神经电极101 和压力传感器202采集到的信号，依次通过一条所述外引线300传输至所述系统外部的信号采集仪器中；所述时序控制模块，与所述信号放大模块、模数转换模块和多通道选通模块均相连，用于为所述处理芯片203提供控制时序。优选地，所述包装体400包括基底401和上包层402 ；所述电极阵列100和内嵌电路200固定在所述基底401的上表面；所述上包层402密封覆盖在所述电极阵列100和内嵌电路200的上面，并且在所述上包层402上设置有仅使所述电极阵列100中的神经电极 101裸露的通孔。优选地，所述包装体400还包括材料为医用硅橡胶的薄膜403 ；所述薄膜403粘贴在覆盖在所述电极阵列100上的部分上包层402的上表面；所述薄膜403上设置有仅能使所述电极阵列100的神经电极101裸露的通孔。本发明还提供一种所述的植入式神经电极阵列系统的制作方法，其包括步骤SlOO 采用流延技术，制作医用硅橡胶材料的基底401，对所述基底401加热硫化；S200 采用低温溅射和低温键合技术，将电极阵列100和内嵌电路200固定在所述基底401的上表面，连接外引线300和所述内嵌电路200 ；S300 使用医用硅橡胶材料的上包层402密封覆盖所述电极阵列100和内嵌电路 200，在所述上包层402上设置仅能使所述电极阵列100的神经电极101裸露的通孔。优选地，所述步骤S200进一步包括步骤S201 在所述基底401的上表面黏贴干膜光刻胶500，通过紫外曝光和显影技术， 得到外引线300的第一端、压力传感器202和处理芯片203对应的键合金属块204的图形， 以及神经电极101和内引线201的图形；S202 使用生物相容性金属，在具有所述键合金属块204的图形和所述神经电极 101及内引线201的图形的基底401的上表面低温溅射得到所述键合金属块204，低温溅射得到所述神经电极101和内引线201 ；S203 采用剥离工艺去除所述基底101上表面的干膜光刻胶500以及所述干膜光刻胶500上的附着物； S204 在所述键合金属块204上涂覆导电银浆，将外引线300的第一端以及所述压力传感器202和处理芯片203低温键合到对应的所述键合金属块204上。优选地，所述步骤S300中，使用医用硅橡胶材料的上包层402密封覆盖所述电极阵列100和内嵌电路200后还包括步骤S301 将医用硅橡胶材料的薄膜403拉伸后粘贴在覆盖在所述电极阵列100上的部分上包层402的上表面；S302 在所述薄膜403上设置仅使所述神经电极101裸露的通孔。优选地，所述步骤S202具体包括步骤S2021 使用氧等离子体对所述基底401进行轰击活化；S2022 使用铬或者钛在具有所述键合金属块204的图形和所述神经电极101及内引线201的图形的基底401的上表面低温溅射一层过渡薄膜；S2023:使用生物相容性金属在所述过渡薄膜上低温溅射得到所述键合金属块 204以及所述神经电极101和内引线201。(三)有益效果本发明的植入式神经电极阵列系统，采用医用硅橡胶材料的包装体封装内嵌电路，系统整体具有优异的生物相容性；并且，在该系统中设置了处理芯片，增强了信号处理能力，并且减少了外引线的数量。在该系统的制作过程中，采用了低温溅射和低温键合技术，克服了医用硅橡胶热应力大，易对其他工艺材料造成破坏的缺陷。
图1是本发明实施例所述的植入式神经电极阵列系统结构图；图2 11是本发明实施例所述的植入式神经电极阵列系统的制作过程示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。图1是本发明实施例所述的植入式神经电极阵列系统结构图。如图1所示，该系统包括电极阵列100、内嵌电路200、外引线300和包装体400。所述电极阵列100包括多个神经电极101。所述包装体400包括医用硅橡胶材料的基底401和上包层402。所述基底401的厚度为500 700微米，所述上包层402的厚度低于100微米。所述电极阵列100和内嵌电路200固定在所述基底401的上表面，所述上包层102 密封覆盖在所述内嵌电路200的上面。所述上包层102也覆盖在所述电极阵列100的上面， 但是在所述上包层102设置有仅使所述神经电极101裸露的通孔。所述内嵌电路200包括内引线201、测量生物组织压力的压力传感器202、处理芯片 203。所述神经电极101和压力传感器202分别通过所述内引线202连接所述处理芯片 203。神经电极101采用金、钼、铱、氧化铱等具有生物相容性和良好导电性的材料制作。为了增强神经电极101和基底101之间的粘附力，一般在神经电极101和基底101之间低温溅射一层粘附材料(即过渡薄膜)，所述粘附材料采用铬或者钛。神经电极101的厚度一般为100 200纳米，形状为圆形或者矩形等。所述压力传感器202采用传统的硅材料制作， 成本低、结构紧凑，轻薄易封装。所述处理芯片203通过所述内引线201连接所述外引线300。 所述内嵌电路200还包括若干与所述基底401固定连接的键合金属块204，所述外引线300的第一端、压力传感器202和处理芯片203均与相应的键合金属块204连接。所述外引线300的第一端通过所述键合金属块204和内引线201连接所述处理芯片203，第二端延伸至所述包装体400的外部。所述系统的供电通过所述外引线300，由系统外部的信号采集器或者外部电源提供。所述处理芯片203包括信号放大模块、模数转换模块、多通道选通模块和时序控制模块。系统可以包括一个或者多个所述处理芯片203。所述信号放大模块，连接所述神经电极101和压力传感器202，用于放大所述神经电极101和压力传感器202采集到的信号。神经电极101采集到的神经电信号都很微弱， 信号放大模块设置于靠近神经电极101的位置，这样有利于抑制周围环境引入的噪声和干扰。所述模数转换模块，连接所述信号放大模块，用于将所述信号放大模块放大后的信号转换为数字信号，有利于信号高速、准确的传输。所述多通道选通模块，连接所述模数转换模块，用于顺序选择不同的神经电极101和压力传感器202分别与所述处理芯片203进行通信，并且相应的信号经过所述处理芯片 203处理后可以通过一条所述外引线300传输至系统外部的信号采集器中。当系统中神经电极101和压力传感器202的数量很多时，多通道选通模块可以有效降低所述外引线300 的数量，从而降低线路复杂度。所述时序控制模块，连接所述信号放大模块、模数转换模块和多通道选通模块，用于为所述处理芯片203提供控制时序。所述系统中包裹电极阵列100的部分包装体400的形状可以为矩形、圆形、菱形、 条形或者套筒形状(包装体400厚度很小，因此可以用平面图形描述其形状)。当所述包裹电极阵列100的部分包装体400的形状为套筒状时，所述包装体400还包括医用硅橡胶材料的薄膜403 ；所述薄膜403在拉伸状态下被粘贴在下部为电极阵列100的部分上包层402 的上表面；所述上包层402和薄膜403上设置有仅能使所述神经电极101裸露的通孔。当所述薄膜403恢复自然状态时，所述包裹电极阵列100的部分包装体400的形状为套筒形。制作上述植入式神经电极阵列系统的方法，包括步骤SlOO 采用流延技术，制作医用硅橡胶材料的基底401，对所述基底401在150°C条件下加热硫化。硫化后的基底401的厚度为500 700微米。图2是采用流延技术制得的基底401的结构图。S201 在所述基底401的上表面黏贴干膜光刻胶500，通过紫外曝光和显影技术， 得到外引线300的第一端、压力传感器202和处理芯片203对应的键合金属块204的图形， 以及神经电极101和内引线201的图形。图3是使用干膜光刻胶500图形化后的基底401 的结构图。S202 使用生物相容性金属，在具有所述键合金属块204的图形和所述神经电极 101及内引线201的图形的所述基底401的上表面低温溅射得到所述外引线300的第一端、 压力传感器202和处理芯片203对应的键合金属块204，低温溅射得到所述神经电极101和内引线201。为了提高神经电极101和内引线201与医用硅橡胶材料的基底401之间的粘合性，在低温溅射之前，对医用硅橡胶基底401用氧等离子体进行轰击活化，然后先低温溅射一层薄的过渡材料(即过渡薄膜)，例如铬或者钛。神经电极101、内引线201以及键合金属块204的材料选择具有生物相容性的金、钼、铱、氧化铱等。图4是低温溅射后的基底 401的结构图。如图4所示，两次低温溅射后形成的神经电极101、内引线201和键合金属块204的材料为铬/金、钛/钼、钛/铱、或者钛/氧化铱复合材料。S203 将所述S202中处理得到的基底401浸入KOH溶液中，采用剥离工艺去除所述基底401上表面的干膜光刻胶500以及所述干膜光刻胶500上的附着物(包括生物相容性金属和过渡材料)，进行充分冲洗。图5是经过剥离工艺处理后的基底401的结构图。如图5所示，处理后得到基底401上图形化的电极阵列100、内引线201以及键合金属块204 的结构。S204 在所述键合金属块204上涂覆导电银浆，将所述外引线300的第一端、压力传感器202和处理芯片203在80°C条件下低温键合到对应的键合金属块204上。图6是经过低温键合工艺后的基底401的结构图。S300 使用医用硅橡胶材料的上包层402密封覆盖所述电极阵列100和内嵌电路 200，图7是覆盖了上包层后的基底401的结构图，如图7所示，所述上包层402的厚度一般为100微米。然后，采用激光烧蚀技术在所述上包层402上设置仅能够使所述神经电极101 裸露的通孔。图8是设置了通孔后的植入式神经电极阵列系统结构图。根据实际应用的需求，可以将包裹神经电极201的部分包装体100的形状裁减为矩形、圆形、菱形或者条形。在有些特殊应用中，希望将包裹电极阵列100的部分包装体100的形状设置为套筒形。这时，在所述步骤S300中，在使用医用硅橡胶材料的上包层402密封覆盖所述内嵌电路200和电极阵列100后还包括步骤S301 将医用硅橡胶材料的薄膜403拉伸后粘贴在下部是电极阵列100的部分上包层402的上表面，图9是在上包层402上设置了拉伸状态的薄膜403的植入式神经电极阵列系统结构图；然后，在所述上包层402和薄膜403上同时设置仅能够使所述神经电极101裸露的通孔，图10是在上包层402和薄膜403上同时设置了通孔后的植入式神经电极阵列系统结构图。释放施加在所述薄膜403上的拉伸力，使包装体400处于自然状态，则原来拉伸的所述薄膜403将趋向于收缩到原始状态，从而使所述植入式神经电极阵列系统中包裹电极阵列100的部分包装体400弯曲蜷缩成为套筒形状， 进行适当的裁减整理，使其形状规整，适于使用。图11是自然状态下局部呈套筒形状的植入式神经电极阵列系统结构图。本发明实施例所述植入式神经电极阵列系统，采用医用硅橡胶材料的包装体封装内嵌电路，系统整体具有优异的生物相容性；并且，在该系统中设置了处理芯片，增强了信号处理能力，并且减少了外引线的数量。同时，在该系统的制作过程中，采用了低温溅射和低温键合技术，克服了医用硅橡胶热应力大，易对其他工艺材料造成破坏的缺陷。以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
权利要求
1.一种植入式神经电极阵列系统，包括电极阵列(100)、外引线(300)和医用硅橡胶材料的包装体G00)；所述电极阵列(100)包括一个或者多个神经电极(101)；所述电极阵列(100)固定在所述包装体G00)内部；所述包装体(400)上设置有仅使所述神经电极 (101)裸露的通孔；其特征在于，所述系统还包括，密闭封装在所述包装体G00)内部的内嵌电路000)， 所述内嵌电路(200)包括处理芯片(203)；所述神经电极(101)连接所述处理芯片O03)；所述外引线(300)的第一端连接所述处理芯片003)，第二端延伸至所述包装体(400) 的外部。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述内嵌电路(200)还包括内引线(201)和压力传感器O02)；所述神经电极(101)和压力传感器(20 分别通过所述内引线(201)连接所述处理芯片(203)；所述处理芯片(203)通过所述内引线(201)连接所述外引线(300)的第一端。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述内嵌电路(200)还包括若干键合金属块004)，所述外引线(300)的第一端、压力传感器(20 和处理芯片(20 均与相应的键合金属块(204)连接。
4.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述处理芯片(203)包括信号放大模块、 模数转换模块、多通道选通模块和时序控制模块；所述信号放大模块，与所述神经电极(101)以及压力传感器(20 均相连，用于放大所述神经电极(101)和压力传感器(20 采集到的信号；所述模数转换模块，与所述信号放大模块相连，用于将所述信号放大模块放大后的信号转换为数字信号；所述多通道选通模块，与所述模数转换模块相连，用于将从不同的神经电极(101)和压力传感器(20 采集到的信号，依次通过一条所述外引线(300)传输至所述系统外部的信号采集仪器中；所述时序控制模块，与所述信号放大模块、模数转换模块和多通道选通模块均相连，用于为所述处理芯片(203)提供控制时序。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述包装体(400)包括基底(401)和上包层^)2)；所述电极阵列(100)和内嵌电路Q00)固定在所述基底G01)的上表面；所述上包层(40 密封覆盖在所述电极阵列(100)和内嵌电路Q00)的上面，并且在所述上包层 (402)上设置有仅使所述电极阵列(100)中的神经电极(101)裸露的通孔。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述包装体(400)还包括材料为医用硅橡胶的薄膜G03)；所述薄膜(40 粘贴在覆盖在所述电极阵列(100)上的部分上包层(402) 的上表面；所述薄膜(40 上设置有仅能使所述电极阵列(100)的神经电极(101)裸露的通孑L。
7.—种权利要求1至6中任一项所述的植入式神经电极阵列系统的制作方法，其特征在于，包括步骤SlOO 采用流延技术，制作医用硅橡胶材料的基底001)，对所述基底(401)加热硫化；S200采用低温溅射和低温键合技术，将电极阵列(100)和内嵌电路(200)固定在所述基底(401)的上表面，连接外引线(300)和所述内嵌电路(200)；S300使用医用硅橡胶材料的上包层(40 密封覆盖所述电极阵列(100)和内嵌电路 000)，在所述上包层(40 上设置仅能使所述电极阵列(100)的神经电极(101)裸露的通孔。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S200进一步包括步骤S201在所述基底001)的上表面黏贴干膜光刻胶(500)，通过紫外曝光和显影技术， 得到外引线(300)的第一端、压力传感器(20 和处理芯片(20 对应的键合金属块(204) 的图形，以及神经电极(101)和内引线O01)的图形；S202:使用生物相容性金属，在具有所述键合金属块Q04)的图形和所述神经电极 (101)及内引线O01)的图形的基底001)的上表面低温溅射得到所述键合金属块004)， 低温溅射得到所述神经电极(101)和内引线(201)；S203采用剥离工艺去除所述基底(101)上表面的干膜光刻胶(500)以及所述干膜光刻胶(500)上的附着物；S204在所述键合金属块(204)上涂覆导电银浆，将外引线(300)的第一端以及所述压力传感器(20 和处理芯片(20 低温键合到对应的所述键合金属块(204)上。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤S300中，使用医用硅橡胶材料的上包层(40 密封覆盖所述电极阵列(100)和内嵌电路(200)后还包括步骤S301将医用硅橡胶材料的薄膜(40 拉伸后粘贴在覆盖在所述电极阵列(100)上的部分上包层G02)的上表面；S302在所述薄膜(40 上设置仅使所述神经电极(101)裸露的通孔。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤S202具体包括步骤S2021使用氧等离子体对所述基底(401)进行轰击活化；S2022使用铬或者钛在具有所述键合金属块(204)的图形和所述神经电极(101)及内引线O01)的图形的基底001)的上表面低温溅射一层过渡薄膜；S2023使用生物相容性金属在所述过渡薄膜上低温溅射得到所述键合金属块(204) 以及所述神经电极(101)和内引线(201)。
全文摘要
本发明公开了一种植入式神经电极阵列系统及其制作方法，涉及植入式医用器械技术领域。该系统包括电极阵列、外引线和医用硅橡胶材料的包装体；所述电极阵列包括一个或者多个神经电极；所述电极阵列固定在所述包装体内部；所述包装体上设置有仅使所述神经电极裸露的通孔；所述系统还包括，被密闭封装在所述包装体内部的内嵌电路，所述内嵌电路包括处理芯片；所述神经电极连接所述处理芯片；所述外引线的第一端连接所述处理芯片，第二端延伸至所述包装体的外部。该系统具有优异的生物相容性，同时，在该系统的制作过程中，采用了低温溅射和低温键合技术，克服了医用硅橡胶热应力大，易损坏其他工艺材料的技术缺陷。
文档编号A61N1/04GK102178999SQ20111011158
公开日2011年9月14日 申请日期2011年4月29日 优先权日2011年4月29日
发明者张伟 申请人:纽诺斯(天津)科技发展有限公司