一种电极阵列及其制备方法与流程

本发明涉及微电极技术领域，尤其涉及一种电极阵列及其制备方法。

背景技术：

电生理是神经科学中的一种重要的研究方法。通过植入在模型动物特定脑区的电极，科学家们可以记录到不同刺激条件下的电生理信号，或者研究模型动物特定行为学与电生理信号放电模式的联系。目前，微电极阵列主要是基于MEMS工艺的密歇根电极。密歇根电极多为二维的硅基硬质电极，结构和样式较为单一，无法完全满足特定的实验需求。

技术实现要素：

本发明提供一种电极阵列及其制备方法，能够提供一种三维网状结构的电极阵列，以满足特定的实验需求。

第一方面，本发明提供一种电极阵列，所述电极阵列包括：多个纵向设置的第一电极束以及至少一个横向设置的第二电极束；所述第一电极束包括导电体和包裹所述导电体的绝缘层；所述导电体的一端用于连接电极阵列接口，所述导电体的另一端显露，形成电极点；所述电极点用于采集或传输电信号；所述第二电极束呈卷曲结构，多个所述第一电极束固定在所述第二电极束上。

在该技术方案中，电极阵列包括多个纵向设置的第一电极束以及至少一个横向设置的第二电极束；所述第一电极束包括导电体和包裹所述导电体的绝缘层；所述导电体的一端用于连接电极阵列接口，所述导电体的另一端显露，形成电极点；所述电极点用于采集或传输电信号；所述第二电极束呈卷曲结构，多个所述第一电极束固定在所述第二电极束上，本发明通过在横向设置卷曲结构的第二电极束固定，纵向设置的第一电极束，以提供三维网状结构的电极阵列，满足特定实验的需求。

结合第一方面，在第一方面的第一种实现方式中，所述第二电极束包括第一材料层和第二材料层，所述第一材料层的吸水性大于所述第二材料层的吸水性，以使所述第二电极束在水溶液中向所述第二材料层卷曲，形成卷曲结构。

结合第一方面的第一种实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述第一材料层的材质为聚乙烯醇、聚丙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸、壳聚糖中的至少一种；所述第二材料层为聚酰亚胺、硅橡胶、聚氨酯、聚氯代对二甲苯中的至少一种。

在该技术方案中，由柔性材料构成的第二电极束，可以减少在注入生物体内后，对生物组织的压迫，更加安全。

结合第一方面，在第一方面的第三种实现方式中，所述导电体的材质包括导电聚合物、石墨烯、碳纳米管、碳纤维或金属中的至少一种。

在该技术方案中，由柔性材料构成的第一电极束，可以减少在注入生物体内后，对生物组织的压迫，更加安全。

结合第一方面，在第一方面的第四种实现方式中，所述第二电极束的材质包括导电聚合物、石墨烯、碳纳米管或炭纤维中的至少一种。

在该技术方案中，由柔性导电材料构成的第一电极束，可以减少在注入生物体内后，对生物组织的压迫，更加安全；而且可以连接电极接口，作为参考电极。

第二方面，本发明实施例还提供了一种电极阵列制备方法，所述电极阵列制备方法包括:

提供一基板；

在所述基板上形成沿纵向间隔设置的第一绝缘层，在所述第一绝缘层上制备导电体，并在所述导电体上形成的第二绝缘层，以使所述第一绝缘层和所述第二绝缘层包裹所述导电体，形成第一电极束；所述第一电极束的一端用于连接电极阵列接口；所述第一电极束的另一端显露，形成电极点，以采集或传输电信号；

在所述第一电极束上沿横向形成第二电极束，以固定所述第一电极束；

去除所述基板，形成呈卷曲结构的电极阵列。

在该技术方案中，通过提供一基板；在所述基板上形成沿纵向间隔设置的第一绝缘层，在所述第一绝缘层上制备导电体，并在所述导电体上形成的第二绝缘层，以使所述第一绝缘层和所述第二绝缘层包裹所述导电体，形成第一电极束；所述第一电极束的一端用于连接电极阵列接口；所述第一电极束的另一端显露，形成电极点，以采集或传输电信号；在所述第一电极束上沿横向形成第二电极束，以固定所述第一电极束；去除所述基板，形成呈卷曲结构的电极阵列，以提供三维网状结构的电极阵列，满足特定实验的需求。

结合第二方面，在第二方面的第一种实现方式中，所述在所述第一电极束上沿横向形成第二电极束包括：在所述第一电极束上形成第一材料层，在所述第一材料层上形成第二材料层，以形成二维网状电极阵列；其中，所述第一材料层的吸水性大于所述第二材料层的吸水性；

所述形成呈卷曲结构的电极阵列包括：

将去除基板后的所述电极阵列在生理盐水中充分浸泡，使得所述第二电极束向所述第二材料层卷曲，形成呈卷曲结构的电极阵列。

在该技术方案中，通过设置两层不同吸水性的材料，形成卷曲结构的第二电极束，工艺简单，降低制备成本。

结合第二方面的第一种实现方式，在第二方面的第二种实现方式中，所述在所述第一电极束上形成第一材料层，在所述第一材料层上形成第二材料层包括：

根据所述电极阵列的模型，采用3D打印技术在所述第一电极束上喷射第一材料形成所述第一材料层；

根据所述电极阵列的模型，采用3D打印技术在所述第一材料层上喷射第二材料形成所述第二材料层。

在该技术方案中，通过利用3D打印技术实现第二电极束的制备，工艺简单，降低制备成本。

结合第二方面，在第二方面的第三种实现方式中，所述第二电极束的材质包括导电聚合物、石墨烯、碳纳米管或炭纤维中的至少一种。

在该技术方案中，由柔性导电材料构成的第一电极束，可以减少在注入生物体内后，对生物组织的压迫，更加安全；而且可以连接电极接口，作为参考电极。

结合第二方面，在第二方面的第四种实现方式中，所述在所述基板上形成沿纵向间隔设置的第一绝缘层包括：根据所述电极阵列的模型，采用3D打印技术在所述基板上喷射第一绝缘材料形成所述第一绝缘层；

所述在所述导电体上形成的第二绝缘层包括：根据所述电极阵列的模型，采用3D打印技术在所述导电体上喷射第二绝缘材料形成所述第二绝缘层。

在该技术方案中，通过利用3D打印技术实现第一电极束中绝缘层的制备，工艺简单，降低制备成本。

结合第二方面，在第二方面的第五种实现方式中，所述在所述第一绝缘层上制备导电体包括：

根据所述电极阵列的模型，采用3D打印技术在所述第一绝缘层上喷射第一导电材料形成所述导电体；或，

采用物理气相沉积法，在所述第一绝缘层上形成图案化的导电层，以形成所述导电体。

在该技术方案中，通过利用3D打印技术实现第一电极束中绝缘层的制备，工艺简单，降低制备成本。

第三方面，本发明还提供了一种电极阵列制备方法，所述电极阵列制备方法包括:

提供一基板；

在所述基板上形成沿横向设置的第二电极束；

在所述第二电极束上形成沿纵向间隔设置的第一绝缘层；在所述第一绝缘层上制备导电体；在所述导电体上制备所述第二绝缘层，以使所述第一绝缘层和所述第二绝缘层包裹所述导电体，形成第一电极束；所述第一电极束的一端用于连接电极阵列接口；所述第一电极束的另一端显露，形成电极点，以采集或传输电信号；

去除所述基板，形成呈卷曲结构的电极阵列。

在该技术方案中，通过提供一基板；在所述基板上形成沿横向设置的第二电极束；在所述第二电极束上形成沿纵向间隔设置的第一绝缘层；在所述第一绝缘层上制备导电体；在所述导电体上制备所述第二绝缘层，以使所述第一绝缘层和所述第二绝缘层包裹所述导电体，形成第一电极束；所述第一电极束的一端用于连接电极阵列接口；所述第一电极束的另一端显露，形成电极点，以采集或传输电信号；去除所述基板，形成呈卷曲结构的电极阵列，以提供三维网状结构的电极阵列，满足特定实验的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种电极阵列的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种电极点的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的另一种电极点的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种电极阵列制备方法的流程示意图；

图5A-图5E是本发明实施例提供的一种电极阵列的各个制造流程中的剖面图；

图6是本发明实施例提供的一种二维网状电极阵列的主视图；

图7是本发明实施例提供的一种三维网状电极阵列的立体图；

图8是本发明实施例提供的另一种电极阵列制备方法的流程示意图。

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，所描述的实施例仅仅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。

请参阅图1，图1是本发明实施例提供的一种电极阵列的结构示意图。所述电极阵列包括：多个纵向设置的第一电极束110以及至少一个横向设置的第二电极束120；所述第一电极束110包括导电体111和包裹所述导电体的绝缘层112，可参见图1中第一电子束的局部纵截面图；所述导电体111的一端用于连接电极阵列接口130，所述导电体的另一端显露，形成电极点113，可参见图1中第一电子束的局部放大图；所述电极点113用于采集或传输电信号；所述第二电极束120呈卷曲结构，多个所述第一电极束110固定在所述第二电极束120上。

可以理解，第一电极束110或第二电极束120可以是圆柱体，长方体、椭圆主体等，导电体可以是圆柱体，长方体、椭圆主体等，本发明不做限制。第一电极束110的长度可以是1-100μm，宽度、厚度或直径可以是0.1-50μm；第二电极束的长度可以是1-100μm，宽度、厚度或直径可以是0.1-50μm。电极阵列中第一电极束110可以是多个，第二电极束120可以是1个或多个，优选地，第二电极束120的个数大于1个。电极阵列接口130可以用于连接电生理记录设备，该生理记录设备可以用于记录通过电极点113采集的电信号，或产生电信号，并将电信号传输给向连接生物体的电极点113。该电极阵列接口130可以包括电极插座和电极接头，电极插座可以用于连接电极阵列与电生理记录设备，电极接头可以用于连接第一电极束110与电极阵列接口。

请参阅图2，图2是本发明实施例提供的一种电极点的结构示意图，图2所示第一电极束呈长方体状，电极点位于第一电极束远离电极阵列接口的一端的底部，呈矩形，如第一电极束的俯视图中电极点113所示，其周围为绝缘层112。请参阅图3，图3是本发明实施例提供的另一种电极点的结构示意图，图3所示第一电极束呈长方体状，电极点位于第一电极束远离电极阵列接口的一端的侧面，呈矩形，如第一电极束的左视图中电极点113所示，其周围为绝缘层112。

本发明实施例中，电极阵列包括多个纵向设置的第一电极束以及至少一个横向设置的第二电极束；所述第一电极束包括导电体和包裹所述导电体的绝缘层；所述导电体的一端用于连接电极阵列接口，所述导电体的另一端显露，形成电极点；所述电极点用于采集或传输电信号；所述第二电极束呈卷曲结构，多个所述第一电极束固定在所述第二电极束上，本发明通过在横向设置卷曲结构的第二电极束固定，纵向设置的第一电极束，以提供三维网状结构的电极阵列，满足特定实验的需求。

本发明实施例中，所述第二电极束包括第一材料层和第二材料层，所述第一材料层的吸水性大于所述第二材料层的吸水性，以使所述第二电极束在水溶液中向所述第二材料层卷曲，形成卷曲结构。

可选地，所述第一材料层的材质可以是高吸水性的高分子聚合物材料，如为聚乙烯醇、聚丙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸、壳聚糖等中的至少一种；所述第二材料层可以是低吸水性的高分子聚合物材料，如聚酰亚胺、硅橡胶、聚氨酯、聚氯代对二甲苯等中的至少一种。由柔性材料构成的第二电极束，可以减少在注入生物体内后，对生物组织的压迫，更加安全。

本发明实施例中，所述导电体的材质可以包括导电聚合物、石墨烯、碳纳米管、碳纤维或金属等中的至少一种，导电体，可以通过3D打印技术，通过导电聚合物、石墨烯、碳纳米管、碳纤维或金属等导电材料中的至少一种打印制成，也可以直接采用碳纤维、金属微丝等线状导电体，也可以通过物理气相沉积，热蒸发或溅射导电材料形成。由柔性材料构成的第一电极束110，可以减少在注入生物体内后，对生物组织的压迫，更加安全。

本发明实施例中，所述第二电极束的材质可以包括导电材料，如导电聚合物、石墨烯、碳纳米管或炭纤维等中的至少一种。

可以理解，第一材料层和/或第二材料层的材质可以是导电材料，也可以在第一材料层和/或第二材料层添加导电材料，如电聚合物、石墨烯、碳纳米管或炭纤维等中的至少一种。由柔性导电材料构成的第一电极束，可以减少在注入生物体内后，对生物组织的压迫，更加安全；而且可以连接电极接口，作为参考电极。

可以理解，绝缘层的材质可以是硅橡胶、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯苯酚等柔性绝缘材料中的至少一种。

请参阅图4，图4是本发明实施例提供的一种电极阵列制备方法的流程示意图，请一并参考图5A-5E，图5A-5E是本发明实施例提供的一种电极阵列的各个制造流程中的剖面图。该所述电极阵列制备方法包括:

步骤S401：提供一基板510；请一并参阅图5A。

具体地，该基板510可以是3D打印机的基板，可以是玻璃基板、硅基板、金属基板、陶瓷基板、高分子基板等，该基板510上可以涂抹一层脱模剂，以便在完成电极阵列的制备后，使得电极阵列从基板510上脱落。该基板510也可以包括电极阵列接口，以使在电极阵列的制备过程中完成于点击阵列接口的连接。可以理解，该基板510也可以是平面基板，也可以是曲面基板。

步骤S402：在所述基板510上形成沿纵向间隔设置的第一绝缘层521，请一并参阅图5B。

具体地，可以根据所述电极阵列的模型，采用3D打印技术在所述基510板上喷射第一绝缘材料形成所述第一绝缘层521；也可以通过旋涂法，化学气相沉积或物理气相沉积法在所述基板510上形成绝缘层，再通过光罩以及蚀刻工艺，形成间隔设置的第一绝缘层521，如图5B所示。

可以理解，第一绝缘层521的材质可以是硅橡胶、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯苯酚等柔性绝缘材料中的至少一种。

步骤S403：在所述第一绝缘层521上制备导电体522，请一并参阅图5C。

具体地，可以根据所述电极阵列的模型，采用3D打印技术在所述第一绝缘层521上喷射第一导电材料形成所述导电体522，如图5C所示；也可以采用物理气相沉积法，在所述第一绝缘层521上形成导电层，在通过光罩和蚀刻工艺，图案化导电层，以形成间隔设置的所述导电体522，如图5C所示；也可以直接在所述第一绝缘层上铺设碳纤维、金属微丝等线状导电体522。

所述导电体522的材质可以包括导电聚合物、石墨烯、碳纳米管、碳纤维或金属等中的至少一种，由柔性材料构成的第一电极束，可以减少在注入生物体内后，对生物组织的压迫，更加安全。

步骤S404：在所述导电体522上形成的第二绝缘层523，以使所述第一绝缘层521和所述第二绝缘层522包裹所述导电体，形成第一电极束520，请一并参阅图5D。所述第一电极束520的一端用于连接电极阵列接口；所述第一电极束的另一端显露，形成电极点，以采集或传输电信号。

具体地，可以根据所述电极阵列的模型，采用3D打印技术在所述导电体522上喷射第二绝缘材料形成所述第二绝缘层523；也可以通过旋涂法，化学气相沉积或物理气相沉积法在所述基板上形成第二绝缘层523，再通过光罩以及蚀刻工艺，形成间隔设置的第二绝缘层523，如图5D所示。

可以理解，第二绝缘层523的材质可以是硅橡胶、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯苯酚等柔性绝缘材料中的至少一种。第一绝缘层521的材质可以与第二绝缘层523的材质相同，也可与第二绝缘层的材质不相同。

需要说明的是，电极阵列接口可以用于连接电生理记录设备，该生理记录设备可以用于记录通过电极点采集的电信号或产生电信号，并传输给向连接生物体的电极点。该电极阵列接口可以包括电极插座和电极接头，电极插座可以用于连接电极阵列与电生理记录设备，电极接头可以用于连接第一电极束与电极阵列接口。

步骤S405：在所述第一电极束520上沿横向形成第二电极束530，以固定所述第一电极束520。

具体地，可以根据所述电极阵列的模型，通过3D打印技术，在所述第一电极束520上沿横向喷射第一材料，形成第二电极束530，请参见图5E。

本发明实施例中，请参阅图6，图6为本发明提供的一种第二电极束的结构示意图，步骤S405可以包括：在所述第一电极束上520形成第一材料层531，在所述第一材料层上形成第二材料层532，以形成二维网状电极阵列；其中，所述第一材料层的吸水性大于所述第二材料层的吸水性。请参阅图6，图6是本发明实施例提供的一种二维网状电极阵列的主视图，图6所示的二维网状电极阵列中包括纵向设置的第一电极束520和横向设置的第二电极束530。

具体地，可以根据所述电极阵列的模型，采用3D打印技术在所述第一电极束520上喷射第一材料形成所述第一材料层531；可以根据所述电极阵列的模型，采用3D打印技术在所述第一材料层531上喷射第二材料形成所述第二材料层532。

可选地，所述第一材料层531的材质可以是高吸水性的高分子聚合物材料，如为聚乙烯醇、聚丙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯酸、壳聚糖等中的至少一种；所述第二材料层532可以是低吸水性的高分子聚合物材料，如聚酰亚胺、硅橡胶、聚氨酯、聚氯代对二甲苯等中的至少一种。由柔性材料构成的第二电极束530，可以减少在注入生物体内后，对生物组织的压迫，更加安全。

本发明实施例中，所述第二电极束第二电极束120的材质可以包括导电材料，如导电聚合物、石墨烯、碳纳米管或炭纤维等中的至少一种。

可以理解，第一材料层531和/或第二材料层532的材质可以是导电材料，也可以在第一材料层531和/或第二材料层532添加导电材料，如电聚合物、石墨烯、碳纳米管或炭纤维等中的至少一种。由柔性导电材料构成的第二电极束，可以减少在注入生物体内后，对生物组织的压迫，更加安全；而且可以连接电极接口，作为参考电极。

步骤S406：去除所述基板510，形成呈卷曲结构的电极阵列。

具体地，将制备完成的电极阵列从所述基板上脱落下来，可以通过第二电极束的自然卷曲形成呈卷曲结构的电极阵列。请参阅图7，图7是本发明实施例提供的一种三维网状电极阵列的立体图。图7所示的三维网状电极阵列中包括纵向设置的第一电极束520和横向设置的第二电极束530。

也可以将去除基板后的所述电极阵列放入生理盐水中充分浸泡，使得所述第二电极束向所述第二材料层卷曲，形成呈卷曲结构的电极阵列。

可选地，步骤S406之后，可以将充分吸水后形变的电极阵列在液氮中充分冷却，得到硬化的电极阵列。可以理解，经液氮硬化后的电极阵列，在植入到生物组织内(如人脑)中会重新软化并散开，从而实现对大范围的神经元活动的记录。

本发明实施例中，通过提供一基板；在所述基板上形成沿纵向间隔设置的第一绝缘层，在所述第一绝缘层上制备导电体，并在所述导电体上形成的第二绝缘层，以使所述第一绝缘层和所述第二绝缘层包裹所述导电体，形成第一电极束；所述第一电极束的一端用于连接电极阵列接口；所述第一电极束的另一端显露，形成电极点，以采集或传输电信号；在所述第一电极束上沿横向形成第二电极束，以固定所述第一电极束；去除所述基板，形成呈卷曲结构的电极阵列，以提供三维网状结构的电极阵列，满足特定实验的需求。

而且，通过利用3D打印技术实现电极阵列中各个结构的制备，工艺简单，降低制备成本。

请参阅图8，图8是本发明实施例提供的另一种电极阵列制备方法的流程示意图。该所述电极阵列制备方法包括:

步骤S801：提供一基板；

步骤S802：在所述基板上形成沿横向设置的第二电极束；

步骤S803：在所述第二电极束上形成沿纵向间隔设置的第一绝缘层。

步骤S804：在所述第一绝缘层上制备导电体。

步骤S805：在所述导电体上制备所述第二绝缘层，以使所述第一绝缘层和所述第二绝缘层包裹所述导电体，形成第一电极束；所述第一电极束的一端用于连接电极阵列接口；所述第一电极束的另一端显露，形成电极点，以采集或传输电信号。

步骤S806：去除所述基板，形成呈卷曲结构的电极阵列。

可以理解，与图4所示的电极阵列制备方法相比，图6所示的电极阵列制备方法，先制备第二电极束后制备第一电极束，具体地实现方式可以参见图4所示的电极阵列制备方法中相应的描述，本发明不再赘述。

本发明实施例中，通过提供一基板；在所述基板上形成沿横向设置的第二电极束；在所述第二电极束上形成沿纵向间隔设置的第一绝缘层；在所述第一绝缘层上制备导电体；在所述导电体上制备所述第二绝缘层，以使所述第一绝缘层和所述第二绝缘层包裹所述导电体，形成第一电极束；所述第一电极束的一端用于连接电极阵列接口；所述第一电极束的另一端显露，形成电极点，以采集或传输电信号；去除所述基板，形成呈卷曲结构的电极阵列，以提供三维网状结构的电极阵列，满足特定实验的需求。

而且，通过利用3D打印技术实现电极阵列中各个结构的制备，工艺简单，降低制备成本。

本发明实施例中所使用的技术术语仅用于说明特定实施例而并不旨在限定本发明。在本文中，单数形式“一”、“该”及“所述”用于同时包括复数形式，除非上下文中明确另行说明。进一步地，在说明书中所使用的用于“包括”和/或“包含”是指存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或构件，但是并不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件和/或构件。

在所附权利要求中对应结构、材料、动作以及所有装置或者步骤以及功能元件的等同形式(如果存在的话)旨在包括结合其他明确要求的元件用于执行该功能的任何结构、材料或动作。本发明的描述出于实施例和描述的目的被给出，但并不旨在是穷举的或者将被发明限制在所公开的形式。在不偏离本发明的范围和精神的情况下，多种修改和变形对于本领域的一般技术人员而言是显而易见的。本发明中所描述的实施例能够更好地揭示本发明的原理与实际应用，并使本领域的一般技术人员可了解本发明。

本发明中所描述的流程图仅仅为一个实施例，在不偏离本发明的精神的情况下对此图示或者本发明中的步骤可以有多种修改变化。比如，可以不同次序的执行这些步骤，或者可以增加、删除或者修改某些步骤。本领域的一般技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。