一种基于自膨胀水凝胶的三维柔性神经微电极及制备方法与流程

本发明属于生物医学工程技术领域的电生理记录电极，涉及一种基于自膨胀水凝胶的三维柔性神经微电极及制备方法。

背景技术：

基于柔性聚合物材料的神经微电极，已被广泛应用于精确研究大脑皮层电生理活动，采集包含丰富运动和感觉等信息的脑皮层电信号electrocorticogram，ecog。近年来，随着mems微纳加工技术的发展，柔性ecog微电极朝着高密度，高空间分辨率方向发展。但是，大多数现有微电极基于平面加工工艺制备，贴附在复杂曲面形貌脑组织表面时，存在电极点界面接触不良的问题，影响神经信号记录质量，亟需寻求解决方法。

经过对现有技术的检索发现，韩国dgist和kist研究所moonh,choun等人在acsappliedmaterials&interfaces,2019,11(39):36186-36195撰文“transformationof2dplanesinto3dsoftandflexiblestructureswithembeddedelectricalfunctionality”，通过向pdms腔体注入液体膨胀成为三维气球形状，推动表面贴附的柔性parylene衬底电极整体向上凸起变形并与脑组织接触，用于采集ecog脑电信号。但是该方法需要增加流体通道，导致器件体积增大，同时整体膨胀后电极点之间相对位置由于变形无法精准确定。

韩国首尔国立大学leewr,imc等人在polymers,2019,11(9):1436撰文“fabricationofconvexpdms–parylenemicrostructuresforconformalcontactofplanarmicro-electrodearray”，提出柔性parylene基底微电极点下方，增加高度为20微米的pdms凸起微结构，提高了微电极点与大脑曲面的共形接触，微电极与神经组织的机械匹配和ecog神经信号记录能力。然而，微电极金属层和parylene基底图形化所需的两步光刻工艺精度，会随着电极点下方pdms凸起进一步增高而降低，因为光刻胶旋涂均匀性和曝光精度与下方基底的平整程度有关。

清华大学尤政等人在“基于水凝胶溶胀特性的可控自变形神经微电极”申请公布号cn107158560a发明专利中，采用parylene电极基底和水凝胶双层结构，水凝胶层吸水膨胀引起parylene微电极基底弯曲变形，使微电极能够箍住或缠绕在神经束上。该专利利用水凝胶吸水溶胀特性，需要保证水凝胶与体液环境接触，以便触发微电极自弯曲变形，主要应用于螺旋人工耳蜗电极适应耳蜗腔，神经束缠绕及锚定，驱动微针刺入神经组织等。然而，该方法用大面积水凝胶与电极基底粘合，吸水后整体发生弯曲变形，不适用于贴附相对平整的大脑皮层，另外，水凝胶始终与体液接触，吸湿膨胀后与由于自身变形，可能与parylene微电极基底存在分层风险。

深圳先进技术研究院杜学敏等人在“一种可控双向三维形变水凝胶薄膜及其制备方法和柔性微电极阵列”申请公布号：cn109294002a发明专利中，提出一种可控双向三维形变水凝胶薄膜作为刺激响应层与基于柔性基底的电极结构通过表面化学键合或物理黏粘的方式贴合在一起，所述刺激响应层带动微电极阵列形成正向空心管状、螺旋形、圆柱体等结构形状，同样无法适用于相对平整的大脑皮层表面进行神经信号采集，同时，该专利中水凝胶主要通过一价阳离子浓度、ph值大小或螯合试剂浓度实现水凝胶薄膜形变程度的可控调节，而脑脊液环境难以提供水凝胶变形的刺激条件。

综上所述，目前绝大多数专利或文献报道，一方面，通过注入液体膨胀或基底预制凸起微结构，会带来电极点相对位置不准确或非平面微纳加工精度降低等问题；另一方面，水凝胶膨胀引起神经微电极整体弯曲变形，对于柔性神经微电极与脑组织的接触性能提升没有明显应用价值。因此，如何利用水凝胶的自膨胀效应增强神经微电极与脑组织表面的接触性能，为神经科学研究提供稳定可靠的脑电记录工具，是本发明专利的主要内容。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于自膨胀水凝胶的三维柔性神经微电极及制备方法，不仅制备工艺简单，而且电极点基于温敏水凝胶自膨胀效应发生面外变形，可形成三维微凸起结构。

技术方案

一种基于自膨胀水凝胶的三维柔性神经微电极，其特征在于包括高模量弹性基底层1，中模量温敏水凝胶2，低模量弹性基底层3以及聚合物衬底蛇形电极；高模量弹性基底层1与低模量弹性基底层3之间的中部设有中模量温敏水凝胶2，低模量弹性基底层3上设有聚合物衬底蛇形电极，其中聚合物衬底蛇形电极是多根蛇形电极导线采用蛇形导线互连结构，以圆形电极点为中心向四周伸展，当中模量温敏水凝胶自膨胀，驱动电极点发生面外变形，形成三维凸起结构；所述中模量温敏水凝胶2的杨氏模量低于高模量弹性基底层1，且高于低模量弹性基底层3。

所述聚合物衬底蛇形电极依次布局为：钛/二氧化硅4，聚酰亚胺衬底层5，金属导线层6和聚酰亚胺封装层7，其中，金属导线层6的中部电极点裸露于聚酰亚胺封装层7之外。

所述高模量弹性基底层厚度为20～100μm，杨氏模量范围为0.5mpa～2mpa；低模量弹性基底层厚度为20～100μm，杨氏模量范围为50kpa～200kpa；中模量温敏水凝胶的温度敏感范围为超过30摄氏度时，发生体积膨胀。

所述金属导电层暴露出的电极点直径为50～200μm。

一种所述的一种基于自膨胀水凝胶的三维柔性神经微电极的制备方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在硅片上沉积一层金属铝，作为蛇形电极牺牲层；

步骤2：在牺牲层上方通过光刻图形化，制作聚酰亚胺衬底层；所述光刻图形化为聚合物衬底蛇形电极形状，即多根蛇形电极以圆形电极为中心向四周伸展；

步骤3：在聚酰亚胺衬底层上方按顺序溅射种子层和金属层；

步骤4：在金属层上方通过光刻图形化，形成正性光刻胶掩膜，再通过离子束刻蚀得到图形化金属导线层；

步骤5：在金属导线层上方通过光刻图形化，制作聚酰亚胺封装层，暴露出金属导线层的电极点；

步骤6：在聚酰亚胺封装层制备完成后，使用多层无尘纸覆盖硅片表面并用玻璃片压覆，浸泡稀盐酸溶液中腐蚀铝牺牲层，完成蛇形电极释放；

步骤7：在蛇形电极释放完成后，利用pva水溶性胶带平整地从硅片粘起蛇形电极，并在聚酰亚胺衬底层表面按顺序溅射金属钛和二氧化硅；

步骤8：在一片硅片通过光刻图形化，制作su-8光刻胶模具，su-8光刻胶厚度为10～50μm；

步骤9：在su-8光刻胶模具表面旋涂一层高模量弹性硅胶，作为高模量弹性基底层；

步骤10：剥离并翻转高模量弹性基底层，在凹坑位置注射打印图形化中模量温敏水凝胶；

步骤11：在中模量温敏水凝胶上方旋涂一层低模量弹性硅胶，作为低模量弹性基底层；

步骤12：激光切割高模量弹性基底层和低模量弹性基底层构成的双层基底，得到三维柔性神经微电极的图形化弹性基底；

步骤13：在图形化弹性基底表面进行紫外光照射，并利用pva水溶性胶带转印聚合物衬底蛇形电极；

步骤14：浸泡去离子水中，去除pva水溶性胶带，暴露金属导线层的电极点，得到三维柔性神经微电极。

所述步骤1中金属铝牺牲层厚度为100～1000nm。

所述步骤2和步骤5中，聚酰亚胺衬底层和聚酰亚胺封装层厚度分别为1～10μm。

所述步骤3中种子层材料为铬或钛，厚度为10～50nm。

所述金属层材料为金或铂，厚度为100～500nm。

所述金属钛厚度为5～20nm，二氧化硅厚度为30～200nm。

有益效果

本发明提出的一种基于自膨胀水凝胶的三维柔性神经微电极及制备方法，利用温度敏感水凝胶在一定温度环境下的体积自膨胀效应，设计了一种具有三维凸起形貌的柔性神经微电极，相比现有的平面柔性神经微电极，本发明可进一步保证电极位点与大脑皮层表面紧密接触。主要结构包括高模量弹性基底层，中模量温敏水凝胶，低模量弹性基底层，聚合物衬底蛇形电极。本发明还提供了一种基于自膨胀水凝胶的三维柔性神经微电极的制备方法，使中模量温敏水凝胶被封装在两层不同模量的弹性基底层中间，转印聚合物衬底蛇形电极，使电极点位于图形化水凝胶正上方，以实现植入后温敏水凝胶自膨胀，驱动电极点发生面外变形，形成三维凸起结构。

与现有技术相比，本发明具有如下至少一种有益效果：

神经微电极点凸起可以进一步有效保证与生物组织界面紧密接触，降低电极交流阻抗，保证电荷传输效果，提高电极电化学性能和采集信号信噪比等。目前现有柔性神经微电极大多通过注入液体膨胀或基底预制凸起微结构来实现，易造成电极点相对位置不准确或非平面微纳加工精度降低等问题，而本发明通过在电极弹性基底内集成图形化温敏水凝胶，植入体内随体温上升，水凝胶发生膨胀，挤压低模量弹性基底层发生面外变形，进而带动聚合物衬底蛇形电极拉伸变形，形成三维凸起结构，不仅可以有效保证二维平面微纳加工精度，并且电极的三维凸起过程自发且稳定。本发明柔性神经微电极结构新颖独特，制备方法简单易行，有利于长期埋植与脑组织紧密接触，获取高质量脑皮层电信号。

附图说明

图1为本发明一优选实施例的温敏水凝胶自膨胀形成三维柔性神经微电极工作原理示意图；

图2为本发明一优选实施例的基于自膨胀水凝胶的三维柔性神经微电极工艺流程图；

图3为本发明一优选实施例的基于自膨胀水凝胶的三维柔性神经微电极结构示意图；

图4为本发明一优选实施例的基于自膨胀水凝胶的三维柔性神经微电极的力学仿真简化模型及尺寸；

图5为本发明一优选实施例的水凝胶体积膨胀5％，蛇形电极贴附前后三维凸起高度仿真结果对比；

图6为本发明一优选实施例的水凝胶体积膨胀10％，蛇形电极贴附前后三维凸起高度仿真结果对比；

图7为本发明一优选实施例的水凝胶体积膨胀5％和10％，蛇形电极内金属导线最大主应变分布结果对比；

图8为本发明一优选实施例的基于自膨胀水凝胶的三维柔性神经微电极在大脑皮层表面工作示意图。

图中标记分别表示为：高模量弹性基底层1、中模量温敏水凝胶2、低模量弹性基底层3、钛/二氧化硅4、聚酰亚胺衬底层5、金属导线层6、聚酰亚胺封装层7、大脑皮层8、三维柔性神经微电极9、明胶海绵10、牙科水泥11。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明提供一种基于自膨胀水凝胶的三维柔性神经微电极，不仅制备工艺简单，而且电极点基于温敏水凝胶自膨胀效应发生面外变形，可形成三维微凸起结构。

本发明第一个方面提供一种基于自膨胀水凝胶的三维柔性神经微电极，所述三维柔性神经微电极包括高模量弹性基底层，中模量温敏水凝胶，低模量弹性基底层以及聚合物衬底蛇形电极。

进一步地，所述三维柔性神经微电极中聚合物衬底蛇形电极由钛/二氧化硅，聚酰亚胺衬底层，金属导线层和聚酰亚胺封装层构成。

进一步地，所述聚合物衬底蛇形电极采用蛇形导线互连结构，通过自身可拉伸性，适应中模量温敏水凝胶自膨胀，驱动电极点发生面外变形，形成三维凸起结构。

本发明第二个方面，提供一种基于自膨胀水凝胶的三维柔性神经微电极的制备方法，包括：

在硅片上沉积一层金属铝，作为蛇形电极牺牲层；

在所述牺牲层上方通过光刻图形化，制作聚酰亚胺衬底层；

在所述聚酰亚胺衬底层上方按顺序溅射种子层和金属层；

在所述金属层上方通过光刻图形化，形成正性光刻胶掩膜，再通过离子束刻蚀得到图形化金属导线层；

在所述金属导线层上方通过光刻图形化，制作聚酰亚胺封装层，暴露出金属导线层的电极点；

在所述聚酰亚胺封装层制备完成后，使用多层无尘纸覆盖硅片表面并用玻璃片压覆，浸泡稀盐酸溶液中腐蚀铝牺牲层，完成蛇形电极释放；

在所述蛇形电极释放完成后，利用pva水溶性胶带平整地从硅片粘起蛇形电极，并在聚酰亚胺衬底层表面按顺序溅射金属钛和二氧化硅；

另外取一片硅片通过光刻图形化，制作su-8光刻胶模具；

在所述su-8光刻胶模具表面旋涂一层高模量弹性硅胶，作为高模量弹性基底层；

剥离并翻转高模量弹性基底层，在凹坑位置注射打印图形化中模量温敏水凝胶；

在所述中模量温敏水凝胶上方旋涂一层低模量弹性硅胶，作为低模量弹性基底层；

激光切割高模量弹性基底层和低模量弹性基底层构成的双层基底，得到三维柔性神经微电极图形化弹性基底；

在所述图形化弹性基底表面进行紫外光照射，并利用pva水溶性胶带转印聚合物衬底蛇形电极；

浸泡去离子水中，去除pva水溶性胶带，暴露金属导线层的电极点，得到三维柔性神经微电极。

在具体实施例中，参照图1所示，在本发明基于自膨胀水凝胶的三维柔性神经微电极结构包括：高模量弹性基底层1、中模量温敏水凝胶2、低模量弹性基底层3、钛/二氧化硅4、聚酰亚胺衬底层5、金属导线层6和聚酰亚胺封装层7，植入后中模量温敏水凝胶2吸热自膨胀，驱动电极点发生面外变形，形成三维凸起结构。其中，高模量弹性基底层1和低模量弹性基底层3的厚度，可通过旋涂速率进行控制调整。中模量温敏水凝胶2可通过定量注射打印的方式，保证所有凹坑位点处具有相同形状和体积的图形化水凝胶。植入吸热后，中模量温敏水凝胶2体积逐渐膨胀，对上方低模量弹性基底层3带来更大的挤压变形，并逐渐达到体积稳定状态。

所述高模量弹性基底层厚度为20～100μm，杨氏模量范围为0.5mpa～2mpa；低模量弹性基底层厚度为20～100μm，杨氏模量范围为50kpa～200kpa；中模量温敏水凝胶的温度敏感范围为超过30摄氏度时，发生体积膨胀。

上述实施例中基于自膨胀水凝胶的三维柔性神经微电极的制备工艺方法，具体的工艺流程参照图2所示，可以按照以下步骤进行：

第1步：在硅片上溅射一层铝，铝层的厚度为300nm，作为牺牲层；还可以采用热蒸发工艺制备铝牺牲层，厚度为100～1000nm；

第2步：在牺牲层上方旋涂一层可光刻聚酰亚胺胶，通过光刻、显影、后烘，固化成膜厚度为5μm；聚酰亚胺衬底层5厚度为1～10μm；

第3步：在聚酰亚胺衬底层5上方按顺序先溅射一层铬(cr)，厚度为10nm，再溅射一层金(au)，厚度为100nm；铬(cr)作为种子层，提高金属层和聚酰亚胺胶层间结合力，铬(cr)的厚度为10～50nm；金(au)作为金属层，其厚度为100～500nm；

第4步：旋涂正性光刻胶，厚度为2μm，光刻图形化作为掩膜；

第5步：通过离子束刻蚀得到图形化金属导线层6；随后在丙酮溶液中去除光刻胶。

第6步：在金属导线层6上旋涂一层可光刻型聚酰亚胺胶，通过光刻、显影、后烘，最终固化成膜厚度为5μm，作为聚酰亚胺封装层7，暴露出金属导线层6的电极点；聚酰亚胺封装层7厚度为1～10μm；

第7步：使用多层无尘纸覆盖硅片表面并用玻璃片压覆，浸泡在稀盐酸溶液中，腐蚀铝牺牲层，完成蛇形电极释放；

第8步：利用pva水溶性胶带平整地从硅片粘起蛇形电极，并在聚酰亚胺衬底层5的表面按顺序溅射厚度为10nm的金属钛和50nm的二氧化硅；金属钛作为二氧化硅和聚酰亚胺衬底层5之间的粘附层，厚度可以为5～20nm，二氧化硅厚度可以为30～200nm；

第9步：另外取一片硅片旋涂热烘得到厚度为15μm的su-8光刻胶，通过光刻、显影和后烘，制作带有直径400μm圆形凹坑的模具；

第10步：在su-8光刻胶模具表面，旋涂并热烘固化一层高模量弹性硅胶聚二甲基硅氧烷(pdms)，杨氏模量为1mpa，厚度为30μm，作为高模量弹性基底层1；

第11步：剥离并翻转高模量弹性基底层1，在凹坑位置注射打印适量中模量温敏水凝胶2；

第12步：在中模量温敏水凝胶2上方旋涂一层低模量弹性硅胶ecoflex，杨氏模量为60kpa，厚度为30μm，作为低模量弹性基底层3；

第13步：激光切割高模量弹性基底层1和低模量弹性基底层3构成的双层基底，得到三维柔性神经微电极图形化弹性基底；

第14步：在所述图形化弹性基底表面进行紫外光照射5分钟，并利用pva水溶性胶带转印聚酰亚胺衬底蛇形电极；

第15步：浸泡在去离子水中并不断搅拌，溶解pva水溶性胶带，暴露金属导线层6的电极点，得到三维柔性神经微电极。

该实施例中，加工得到的柔性神经微电极分层结构如图3所示，圆形中模量温敏水凝胶2与圆形电极点同心，聚酰亚胺衬底蛇形电极与弹性基底的粘接，通过聚酰亚胺衬底蛇形电极底面沉积的一层钛/二氧化硅4与弹性基底表面发生缩合反应实现。

在另一实施例中，提供了三维柔性神经微电极力学仿真简化模型及尺寸，如图4所示，这里弹性基底尺寸为1mm×1mm，电极点直径尺寸为200μm。假设中模量温敏水凝胶2体积膨胀百分比为5％，通过abaqus静力学仿真，可以看出蛇形电极贴附前后平衡状态下电极点三维凸起高度结果之间的差异，如图5所示，未贴附聚酰亚胺衬底蛇形电极，z方向面外变形量为68.3μm，贴附蛇形电极之后，z方向面外变形量为下降为24.8μm。而假设中模量温敏水凝胶2体积膨胀百分比达到10％，如图6所示，未贴附蛇形电极，z方向面外变形量为105.5μm，贴附蛇形电极之后，z方向面外变形量为下降为46.8μm。如图7所示，单独取出蛇形电极中金属导线层6，分析5％和10％水凝胶体积膨胀百分比下的最大主应变差异，可以看出，随着水凝胶体积膨胀百分比增大，蛇形电极导线需要承受更大的拉伸变形，存在更高的失效风险。因此，可根据实际需要，选择具有合适膨胀特性的中模量温敏水凝胶2，保证电极点形成三维凸起结构的同时，不会对金属导线层6造成力学破坏。

如图8所示，基于自膨胀水凝胶的三维柔性神经微电极在大脑皮层表面工作示意图，三维柔性神经微电极9中各电极点向下凸起，与大脑皮层8紧密接触，同时在明胶海绵10和牙科水泥11的压覆作用下，可进一步保证三维柔性神经微电极9适应脑组织压强变化，以及呼吸，血流和运动带来的微动。