一种柔性植入式生物传感器及光电器件的植入针的制作方法

本实用新型涉及一种柔性植入式生物传感器及光电器件的植入针及其植入方法，可用于生物组织中柔性植入式生物传感器及光电器件的植入，该植入针结构简单、制备方便、成本低廉；植入过程操作简单，损伤小。

背景技术：

现代生活节奏的不断加快使人们身心经常处在高压状态，抑郁症、癫痫等神经系统疾病明显增多；同时，全球人口逐渐向老龄化过过渡，神经退行性疾病、肌肉萎缩等疾病逐渐增多并成为社会一大负担。传统的治理神经系统、肌肉组织等疾病多采用药物和外科手术相结合的方法，但长期服用药物易产生较大副作用，且由于人们目前对脑和神经等认知的局限性，手术的风险也较大。为了解决这些问题，植入式生物传感器、光遗传器件、神经/肌肉电极等新型技术被发展起来，给广大患者带来了希望。随着新技术的不断创新与发展，可植入的生物/光/电器件逐渐走向应用，正在为患有帕金森症、癫痫、运动神经障碍、中风、抑郁症、肌肉萎缩等疾病的患者的康复发挥着积极的治疗作用。

传统的植入式生物传感器及光电器件具有性能优良、可靠性高等诸多优点，然而，其基底性质硬脆，难以承受大变形，且与生物组织低模量不匹配，易造成较大生物创伤，并引起强烈的炎症反应，免疫蛋白包裹器件使得器件失效，使得植入式器件的使用寿命较短。为此，以超薄聚合物为基底的柔性植入式生物传感器及光电器件被制备出来，这些柔性器件可以承受弯曲，能够很好地贴合生物组织，同时能够有效地降低炎症反应，大大提高了器件的使用寿命和减少了植入器件对生物组织的损伤。

柔性植入式生物传感器及光电器件的厚度通常只有十几微米，这种超薄的器件由于压杆失稳，难以直接植入生物组织，给其应用推广带来了很大的障碍。因此，许多商业柔性植入式生物传感器及光电器件依然采用硬质基底如硅、金属等作为支撑来植入生物组织。

为了解决柔性植入式生物传感器及光电器件植入生物组织的难题，人们发展出了几种方法，主要分为三种：增加器件厚度、可降解生物涂层、硬载体运输。

增加器件厚度的方式是在器件制备时增加绝缘聚合物包裹层的厚度或者在器件中间加上一层金属层，这样整个器件的抗弯刚度得到提升，一定程度上可以植入较软的生物组织如大脑。

可降解生物涂层的方式是在柔性生物/光/电器件表面浸润一层可生物降解的材料如：蚕丝蛋白、聚乙二醇、麦芽糖、聚乙醇酸、聚乳酸聚乙醇酸共聚物(PLGA)等，增大了整个器件的尺寸，也增加了其抗弯刚度，以此植入生物组织。

硬载体运输的方式一般用环氧树脂、不锈钢等弹性模量较大的材料作为载体，用可生物降解的涂层如蚕丝蛋白、聚乙二醇等作为粘接剂，将柔性生物/光/电器件粘接在载体上，一起植入生物组织，待生物组织内部液体将粘接剂溶解后，再拔出载体。

通常，现有的柔性植入式生物传感器及光电器件的植入方法各自有着其本身的限制。

第一，基于增加器件厚度的植入方式的缺点是增大了器件的尺寸，对生物组织造成的创伤较大，且对于一些模量较高的生物组织如肌肉等不适用。同时，硬载体模量与生物组织的不匹配，会带来严重的机械损伤和炎症反应。

第二，基于可降解生物涂层的植入方式的缺点是涂层的工艺复杂，无法精确控制涂层厚度，且对于一些模量较高的生物组织如肌肉等不适用。

第三，基于硬载体的植入方式其缺点是载体加工复杂，粘接过程难度大，成本较高。此外，粘接剂的分解需要较长时间，这段时间内硬载体留在组织内，会造成一定程度的炎症反应。

技术实现要素：

为解决上述问题，本实用新型的目的在于提出一种柔性植入式生物传感器及光电器件的植入方法，采用变截面尺寸的植入针结合前端开孔的柔性植入式生物传感器或光电器件配合实现；所述的植入针的前端部分横截面面积收缩，与后端部分形成面积突变的凸台或面积渐变的锥台；所述的柔性植入式生物传感器或光电器件的前端开孔，植入针只有前端部分能够穿过该孔；在植入生物组织时，将植入针前端穿过柔性植入式生物传感器或光电器件的前端开孔，依靠植入针将器件推送植入生物组织，在器件被送到指定位置后，拔出植入针，柔性植入式生物传感器或光电器件则保留在生物组织内部。

上述技术方案中，所述的变截面设计的植入针可以是截面尺寸突变的凸台或者渐变的锥台，可以采用但是不限于一体化加工成型、外裹涂层、外套中空管等方式制备获得。

所述的植入针的主体的材料可以选用金属、光纤、环氧树脂或碳纤维等材料。

上述的外裹涂层的方法中所述的涂层可以是蚕丝蛋白、聚乙二醇、麦芽糖、聚乙醇酸、聚乳酸聚乙醇酸共聚物(PLGA)等。

所述的柔性植入式生物传感器及光电器件的前端开孔只能使植入针的前端部分穿过，开孔形式包括但是不限于圆形、方形、菱形、多边形等满足使用条件的任意形状。

本实用新型的植入针采用横截面突变或渐变的变截面设计，柔性植入式生物传感器及光电器件顶部开配合孔，植入针只有前端部分能够穿过该孔。配合孔穿过植入针前端部分，通过凸台或锥形的限位，把柔性植入式生物传感器及光电器件送入生物组织内部指定位置，拔出植入针后，带引线的植入式生物传感器及光电器件留在生物组织中完成下一步探测治疗功能。本实用新型适用于柔性植入式生物传感器及光电器件在生物体内的精确定位植入，如光遗传学中的柔性脑部LED、柔性深部脑电极，可植入式柔性肌电极、面向神经修复/控制/电刺激的柔性可植入微结构等。在器件植入后可以立马去除植入针，可有效降低硬载体引发的机械损伤和炎症反应。

本实用新型结构简单，制备方便，成本低廉，对生物组织损伤小，植入位置精确可控。此外，本实用新型方法只需要改变植入针的尺寸，即可用于各种生物组织的柔性植入式生物传感器及光电器件的植入方法，使用范围广泛。

附图说明

图1是本实用新型中提出柔性植入式生物传感器及光电器件与植入针在植入时的装配图。

图2是本实用新型中提出的柔性植入式生物传感器及光电器件植入方法示意图。

图3是本实用新型中提出的植入针设计与加工方案示意图。

图4是本实用新型中提出的柔性植入式生物传感器及光电器件的顶端开孔设计图。

图5是一种变截面植入针的示意图；

图6是植入针将柔性器件植入模拟大脑中的过程示意图。

图中:1-柔性背衬2-生物传感器及光电器件引线和功能部分3-背衬顶端开孔4-植入针后端部分5-植入针前端部分6-生物组织7-一体化加工成型凸台植入针8-一体化加工成型铲状植入针9-一体化加工成型锥台植入针10-涂层11-植入针主体12-中空套管13-植入针主体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本实用新型的内容。

图1为柔性植入式生物传感器及光电器件与植入针在植入前的装配图。

植入针前端部分5部分横截面积收缩，与后端大横截面积部分4形成面积突变的凸台或面积渐变的锥台；柔性植入式生物传感器或光电器件的前端开孔3，植入针只有前端部分5能够穿过该孔(图1a)。在植入生物软组织前，将植入针前端横截面积较小部分5穿过柔性植入式生物传感器及光电器件的前端开孔3(图1b)形成配合。

图2是本实用新型提出的柔性植入式生物传感器及光电器件植入方法示意图。植入针前端部分5已经穿过柔性植入式生物传感器及光电器件的前端开孔3形成配合(图2a)。植入时，随着植入针扎入生物组织，柔性植入式生物传感器及光电器件也被带入生物组织(图2b)。

待植入指定位置后，即可立马拔出植入针，柔性植入式生物传感器及光电器件则留在了生物组织中(图2c)。

图3是本实用新型中提出的植入针设计与加工方案示意图。植入针可以采用但是不限于一体化加工成型(截面尺寸突变的凸台或者渐变的锥台)、外裹涂层、外套中空管等方式制备。

一体化加工成型方式中，在预先制备的细针头部通过机械加工或者化学腐蚀等方法使植入针前端部分出现横截面缩小。

所述的横截面面积缩小的方式，可以采用但不限于凸台变截面加工(图3a)、铲状变截面加工(图3b)、光滑过渡变截面加工(图3c)等形式。

细针外裹涂层方式中，在细植入针11外部包裹一层涂层10，而针尖部分不包裹涂层(图3d)，以此来扩大植入针后端的横截面积。

作为一个示例，但是并不限制本实用新型的内容，除去细植入针11尖端的涂层的方法可以是，先将细植入针浸入蚕丝蛋白溶液中，提起固化后，把针尖部分浸入人工脑脊液中，去除针尖部分涂层。

细植入针外套中空套管方式中，细植入针13外部套一根中空套管，以此来扩大植入针后端的横截面积(图3e)。

作为一个实例，采用激光切割机切割聚酰亚胺胶带代替柔性脑电极(图4a)，此电极的植入部分宽度为450um，长度约为7mm，在电极前端有直径约200um的圆孔，电极整体厚度为53um(图4b)。

植入针采用市面上最细的针灸针，直径为160um。为了增加植入针后端部分的横截面积，本实验采用生物兼容可溶于水的PEG-2000，其外观为白色固体，熔点约为51±2℃，称量5g PEG-2000至烧杯，放在80℃的烘箱中，待其完全溶解(图5a)，将针灸针浸润在其溶液中，提出并在室温凝固，浸润在针灸针表面的PEG-2000凝固，采用机械方式刮除针尖部分的PEG-2000，得到变截面的植入针(图5b)，由光镜图可知，植入针后端包裹涂层后使得其直径变为250um，形成变截面植入针。

植入时，将植入针穿过柔性脑电极的前端开孔，以琼脂糖作为模拟大脑的替代品，将植入针连带柔性脑电极植入其中，在植入到指定位置后，拔出植入针，柔性脑电极则留在了琼脂糖中(图6)。