一种颅内刺激记录系统及其制备方法与流程

本发明涉及神经科学技术领域，具体涉及一种颅内刺激记录系统及其制备方法。

背景技术：

大脑是已知宇宙最复杂和最高级的生物器官，神经元作为大脑的基本结构负责传递神经信息。不同性质和功能的神经元通过各种形式的复杂连接而形成神经环路。神经环路是联系分子细胞功能与整体行为功能之间的桥梁，特定功能神经环路的研究有利于理解神经环路的形成与修饰、信息编码及其与行为间关系等，从而可更深层次了解大脑的工作原理。

神经调控是研究神经环路的一种有效手段。常见的神经调控手段包括药物干扰、电刺激等，但药物干扰存在起效时间慢、副作用大的问题；电刺激缺乏特异性和空间选择性，从而限制了其在神经环路研究中的应用。

光遗传技术为神经环路的研究提供了一种变个性的研究手段，可实现特定类型神经元活动的调控，揭示动物行为活动与神经环路的联系和机理，在未来可能成为比电刺激更为有效的神经调控手段。

目前，光遗传学主要采用以下两种技术方案：第一种技术方案是在检测电极附近加装led芯片作为光源实现光刺激；第二种技术方案是在衬底电极上制造波导将光从器件后端传导到器件前端检测电极附近实现光刺激。然而，第一种技术方案中的led芯片发热会对脑组织造成伤害；第二种技术方案大多是在硬质硅衬底上进行加工，硅衬底硬质探针与脑组织杨氏模量差异极大，器件植入后若长期在体容易引发神经炎症，从而对实验体造成损伤。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种颅内刺激记录系统及其制备方法，以解决现有技术中存在的上述技术问题。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明一方面提供了一种颅内刺激记录系统，包括柔性光纤、激光器和柔性深部脑电极，所述柔性光纤与所述激光器连接，所述柔性深部脑电极通过夹具固定于所述柔性光纤上。

优选的，所述柔性深部脑电极通过毛细张力作用附着于所述柔性光纤的表面。

优选的，所述柔性深部脑电极包括依次设置的金属布线层、绝缘层和金属电极层，

所述金属布线层上设置有导线结构，用于将位于所述柔性深部脑电极前端的所述金属电极层通过所述导线结构与所述柔性深部脑电极的后端连接，

所述绝缘层用于隔绝所述金属布线层与所述金属电极层，

所述金属电极层用于记录神经细胞所产生的电生理信号。

优选的，所述柔性深部脑电极还包括封装层，

所述封装层设置于所述金属电极层的上方，所述封装层上设置有用于使所述金属电极层暴露出来的镂空孔。

优选的，所述柔性深部脑电极还包括衬底层，

所述衬底层设置于所述金属布线层的下方，所述衬底层用于支撑所述金属布线层、所述绝缘层、所述金属电极层和所述封装层。

优选的，所述衬底层、所述绝缘层和所述封装层均采用蚕丝蛋白制成。

本发明另一方面提供了一种制备上述颅内刺激记录系统的方法，该方法包括以下步骤：

s1：准备洁净的基底备用；

s2：在步骤s1准备好的基底上制备得到镍牺牲层；

s3：在步骤s2得到的镍牺牲层上制备衬底层；

s4：在步骤s3制备的衬底层上形成金属布线层；

s5：在步骤s4形成的金属布线层上制备绝缘层；

s6：在步骤s5制备的绝缘层上形成金属电极层；

s7：在步骤s6形成的金属电极层上制备封装层；

s8：刻蚀除去步骤s7所得结构上的镍牺牲层，将刻蚀后得到的结构从所述基底上释放，即得到柔性深部脑电极；

s9：将步骤s8得到的所述柔性深部脑电极通过夹具固定于柔性光纤上，将所述柔性光纤与激光器连接，即得到所述颅内刺激记录系统。

优选的，所述基底选用单抛硅片。

优选的，所述步骤s2包括：在步骤s1准备好的单抛硅片上先通过光刻将光刻胶进行图形化，再通过热蒸发沉积工艺制备一层厚度为50-150nm的金属镍，对所述金属镍进行剥离工艺图形化得到镍牺牲层。

优选的，所述步骤s3包括：在步骤s2得到的镍牺牲层上以2000-4000r/min的转速旋涂蚕丝蛋白溶液，旋涂时间为20-40s，制备一层厚度为400-600nm的蚕丝蛋白薄膜，得到衬底层。

优选的，所述步骤s4包括：在步骤s3制备的衬底层上通过光刻图形化及热蒸发沉积工艺制备一层厚度为5nm/50nm-10nm/100nm的铬/金合金层，对所述铬/金合金层进行剥离工艺图形化得到金属布线层。

优选的，所述步骤s5包括：在步骤s4形成的金属布线层上以2000-4000r/min的转速旋涂蚕丝蛋白溶液，旋涂时间为10-20s，制备一层厚度为200-400nm的蚕丝蛋白薄膜，在所述蚕丝蛋白薄膜上暴露出所述金属布线层用于连接金属电极层的导线结构，得到绝缘层。

优选的，所述步骤s6包括：在步骤s5制备的绝缘层上通过光刻图形化及热蒸发沉积工艺制备一层厚度为5nm/50nm-10nm/100nm的铬/金合金层，对所述铬/金合金层进行剥离工艺图形化得到金属电极层。

优选的，所述步骤s7包括：在步骤s6形成的金属电极层上以2000-4000r/min的转速旋涂蚕丝蛋白溶液，旋涂时间为20-40s，制备一层厚度为400-600nm的蚕丝蛋白薄膜，通过光刻图形化得到封装层。

优选的，所述步骤s8包括：使用金属腐蚀液刻蚀除去步骤s7所得结构上的镍牺牲层，将刻蚀后得到的结构从所述基底上释放，得到柔性深部脑电极。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明提供的颅内刺激记录系统将柔性深部脑电极附着于柔性光纤的表面，以激光器作为光源，可以集光脉冲神经刺激与神经电生理信号采集功能于一体，同时实现光遗传学兴奋和抑制，能够避免采用led芯片作为光源时led芯片发热对脑组织造成的伤害；

2、本发明提供的颅内刺激记录系统采用蚕丝蛋白作为柔性深部脑电极的衬底层、绝缘层和封装层的主要材料，并结合柔性光纤材料，可大幅改善植入器件对脑组织的机械顺应性，从而减少器件植入后长期在体所引发的神经炎症，实现长期在体刺激与记录。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面将对实施例或者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它附图。

图1是本发明实施例一提供的颅内刺激记录系统的结构示意图；

图2a-图2h是本发明实施例二提供的柔性深部脑电极的制备流程示意图；

图中：1-柔性光纤，2-柔性深部脑电极，3-激光器，4-夹具，5-衬底层，6-金属布线层，7-绝缘层，8-金属电极层，9-封装层，10-基底，11-镍牺牲层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。

实施例一

本实施例提供了一种颅内刺激记录系统，如图1所示，所述颅内刺激记录系统包括柔性光纤1、柔性深部脑电极2和激光器3。所述柔性深部脑电极2通过夹具4固定于所述柔性光纤1的前端，所述柔性深部脑电极2的柔性部分受到重力作用自然下垂，由于毛细张力作用附着于所述附着于所述柔性光纤1的表面。所述激光器3与所述柔性光纤1的后端连接，作为光刺激的光源。

如图2h所示，所述柔性深部脑电极包括自下而上设置的衬底层5、金属布线层6、绝缘层7、金属电极层8和封装层9。优选的，所述衬底层5采用蚕丝蛋白制成，用于支撑所述金属布线层6、所述绝缘层7、所述金属电极层8和所述封装层9。所述金属布线层6上设置有导线结构，通过所述导线结构将位于所述柔性深部脑电极2前端的所述金属电极层8与所述柔性深部脑电极的后端连接。所述金属电极层8上设置有多个电极位点(图中未示出)，所述电极位点用于直接与神经细胞接触记录所产生的电生理信号。优选的，所述绝缘层7采用蚕丝蛋白制成，用于隔绝所述金属布线层6与所述金属电极层8。优选的，所述封装层9均采用蚕丝蛋白制成，所述封装层9上设置有用于使所述金属电极层8上的电极位点暴露出来的镂空孔。

实施例二

本实施例提供了一种制备上述颅内刺激记录系统的方法，该方法包括以下步骤：

s1：准备洁净的基底10备用。

优选的，所述基底10选用厚度为300-500μm(例如450μm)的单抛硅片，将所述单抛硅片清洗干净备用(参见图2a)。

s2：在步骤s1准备好的基底10上制备得到镍牺牲层11。

具体的，在步骤s1准备好的基底10上先通过光刻将光刻胶(例如su-8光刻胶)进行图形化，在所述光刻胶上通过热蒸发沉积工艺制备一层厚度为50-150nm(例如100nm)的金属镍，对所述金属镍进行剥离工艺图形化得到镍牺牲层11，所述镍牺牲层11用于后续从所述基底10上释放柔性深部脑电极(参见图2b)。

s3：在步骤s2得到的镍牺牲层11上制备衬底层5。

具体的，在步骤s2得到的镍牺牲层11上以2000-4000r/min(例如3000r/min)的转速旋涂蚕丝蛋白溶液，旋涂时间为20-40s(例如30s)，制备一层厚度为400-600nm(例如500nm)的蚕丝蛋白薄膜，得到衬底层5(参见图2c)。

s4：在步骤s3制备的衬底层5上形成金属布线层6。

具体的，在步骤s3制备的衬底层5表面进行光刻图形化后，采用热蒸发沉积工艺制备一层厚度为5nm/50nm-10nm/100nm(例如10nm/100nm)的铬/金合金层，对所述铬/金合金层进行剥离工艺图形化得到金属布线层6(参见图2d)。

s5：在步骤s4形成的金属布线层6上制备绝缘层7。

具体的，在步骤s4形成的金属布线层6表面以2000-4000r/min(例如3000r/min)的转速旋涂蚕丝蛋白溶液，旋涂时间为10-20s(例如18s)，制备一层厚度为200-400nm(例如300nm)的蚕丝蛋白薄膜，在所述蚕丝蛋白薄膜上暴露出所述金属布线层6用于连接金属电极层的导线结构，得到绝缘层7(参见图2e)。

s6：在步骤s5制备的绝缘层7上形成金属电极层8。

具体的，在步骤s5制备的绝缘层7表面进行光刻图形化后，采用热蒸发沉积工艺制备一层厚度为5nm/50nm-10nm/100nm(例如10nm/100nm)的铬/金合金层，对所述铬/金合金层进行剥离工艺图形化得到金属电极层8(参见图2f)。

s7：在步骤s6形成的金属电极层8上制备封装层9。

具体的，在步骤s6形成的金属电极层8表面以2000-4000r/min(例如3000r/min)的转速旋涂蚕丝蛋白溶液，旋涂时间为20-40s(例如30s)，制备一层厚度为400-600nm(例如500nm)的蚕丝蛋白薄膜，对所述蚕丝蛋白薄膜进行光刻图形化得到封装层9，并使所述金属电极层8上的电极位点从所述封装层9上的镂空孔中暴露出来(参见图2g)。

s8：刻蚀除去步骤s7所得结构上的镍牺牲层11，将刻蚀后得到的结构从所述基底10上释放，即得到柔性深部脑电极。

具体的，使用配方为i2:ki:h2o＝1:4:40(体积比)的金属腐蚀液刻蚀除去步骤s7所得结构上的镍牺牲层11，将刻蚀后得到的结构从所述单抛硅片上释放，得到柔性深部脑电极(参见图2h)。

s9：将步骤s8得到的所述柔性深部脑电极通过夹具固定于柔性光纤上，将所述柔性光纤与激光器连接，即得到所述颅内刺激记录系统。

具体的，将步骤s8得到的所述柔性深部脑电极2通过夹具4固定于柔性光纤1上，并使所述柔性深部脑电极2的柔性部分通过毛细张力作用附着于所述柔性光纤1的表面，在所述柔性光纤1的后端连接激光器3作为光源，得到所述颅内刺激记录系统(参见图1)。

本发明提供的颅内刺激记录系统具有如下优点：

1、本发明提供的颅内刺激记录系统将柔性深部脑电极附着于柔性光纤的表面，以激光器作为光源，可以集光脉冲神经刺激与神经电生理信号采集功能于一体，同时实现光遗传学兴奋和抑制，能够避免采用led芯片作为光源时led芯片发热对脑组织造成的伤害；

2、本发明提供的颅内刺激记录系统采用蚕丝蛋白作为柔性深部脑电极的衬底层、绝缘层和封装层的主要材料，并结合柔性光纤材料，可大幅改善植入器件对脑组织的机械顺应性，从而减少器件植入后长期在体所引发的神经炎症，实现长期在体刺激与记录。

应当注意的是，以上实施例只为解释说明所用，而不应被当成是对本发明所包含内容范围的限制。由于受篇幅限制，发明人仅对较为典型的实施方法进行了描述，但本领域技术人员应当充分认识到本发明可以针对未脱离发明内容主旨的创新点及优点作相关修改，且所有这类修改都应包含在本发明所定义的和等同意义的内容范围之内。