一种微针电极及其制备方法与流程

[0001]
本发明涉及生物医学工程领域，尤其涉及一种微针电极及其制备方法。


背景技术：

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诊断测试，治疗和疾病的存在需要获取和监视由患者的生理功能产生的电信号。通常监视的典型电信号或生物电势是那些从心脏产生心电图(ekg)，从大脑产生脑电图(eeg)和从肌肉产生电描记图(emg)的信号。此类信号的电平较低，并且可能非常弱，例如脑电图(eeg)中存在100微伏或以下的信号。信号的频率范围从心电图的0.05到脑干诱发电位的3000hz。皮肤安装的监测电极通常用于获得上述生物电势。人体皮肤由三个不同的层组成；角质层，表皮层和真皮层。皮肤的外部10-15微米(称为角质层)是死亡的组织，构成了人体的主要屏障。角质层是皮肤阻抗和生物电位信号降低的主要因素。角质层下方是表皮(50-100微米)。表皮由活细胞组成，但几乎没有神经，没有血管。由于神经存在于更深的组织中，所以穿透皮肤到活表皮是无痛的。在活表皮下面是真皮层，真皮是皮肤体积的主体，包含活细胞、神经和血管。
[0003]
用皮肤电极测量弱生物电位时，常常会遇到困难。一个问题是皮肤的最外层有一个高阻抗。高电阻抗降低了信号的幅度，因此当存在电噪声时，数据信号可能难以获得。
[0004]
由于皮肤的运动，噪声也可以注入到生物电位信号中。这导致皮肤阻抗的变化。皮肤特征的这种变化会导致电噪声，而电噪声很难与感兴趣的生物电位数据信号分离。如果信噪比足够低，由于皮肤阻抗或运动伪影，它会掩盖或阻碍对病人病情的正确分析。
[0005]
一种常见的做法是使用湿电极，即在应用生物电位电极之前研磨角质层，以降低皮肤阻抗。像用酒精一样，去除组织和皮肤油脂。擦伤的皮肤上覆盖一层导电膏，然后将电极贴附到病人身上。然而，该过程很耗时，特别是在要使用多个电极的情况下，并且在许多临床情况下(例如为患者做好手术准备)很不方便。
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推力型微针电极有效地解决了皮肤高阻抗等问题，特别是夏普 cn103263727，cn102727992a，us20100130940和cn1415385a等生物电信号的采集，主要采用金属微针电极，机械性能好，易刺穿细并关闭皮肤的表皮，但金属材料电极-生物膜相容性差，长期穿入皮肤会引起皮肤过敏，发炎，并且身体的排斥作用会促使白细胞大量富集微针表面，影响生物电信号的采集，制备过程复杂，成本高，结构设计不灵活。
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同时，在“journal of microelectromechanical systems，第10卷，第10-16页”的“用于生物电势测量的微加工电极”中，制造了硅微针电极，并涂覆了导电材料以测量生物信号。进行实验表明，使用微针的方法优于不使用导电胶的常规方法。然而，硅微针电极由于其易碎的特性而难以制造并且具有难以在工业上使用的问题。
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1、湿电极的缺点：不能够长期连续使用，可能会引起皮肤过敏反应，产生红肿等现象，用户体验差；
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2、金属材料电极：生物膜相容性差，长期穿入皮肤会引起皮肤过敏，发炎，并且身体的排斥作用会促使白细胞大量富集微针表面，影响生物电信号的采集，制备过程复杂，成
本高，结构设计不灵活。
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3、硅微针电极：易碎，制造工艺复杂。


技术实现要素：

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鉴于上述问题，提出了本发明以便提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种微针电极及其制备方法。
[0012]
根据第一方面，提供了一种微针电极，包括贴片层；多个微针，位于贴片层的一侧，与微针一体成型；穿透电极，穿过贴片层，其一端与微针电连接；掺杂有银纳米粒子掺杂的类金刚石薄膜，涂敷在穿透电极与微针电连接的部分的表面，以及微针的表面。
[0013]
在一种可能的实施方式中，微针在贴片层的一侧规则地排列。
[0014]
在一种可能的实施方式中，贴片层为生物相容性的高分子化合物。
[0015]
在一种可能的实施方式中，生物相容性的高分子化合物为聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸已酯、聚异丁烯中的任意一种。
[0016]
在一种可能的实施方式中，穿透电极材质为金，银，钛，铂中的一种或多种。
[0017]
在一种可能的实施方式中，类金刚石薄膜中银纳米粒子的掺杂比例为 3％-25％。
[0018]
在一种可能的实施方式中，银纳米粒子的粒径范围为5nm-50nm。
[0019]
根据第二方面，提供了一种微针电极的制备方法，包括步骤s1，制备微针模型；步骤s2，将聚合物热熔并填充至模具中；步骤s3，在聚合物未固化前，插入穿透电极用于电连接；步骤s4，固化并脱模，得到聚合物微针阵列；步骤s5，在微针表面制备银纳米粒子掺杂的类金刚石薄膜。
[0020]
在一种可能的实施方式中，在步骤s2中，通过热压成型的方式，将聚合物热熔并填充至模具中。
[0021]
在一种可能的实施方式中，在步骤s5中，在微针表面沉积银纳米粒子掺杂的类金刚石薄膜。
[0022]
本发明的微针电极贴片可以用于生物信号测量的电极贴片或可用于医疗环境等各种领域的生物电刺激，由于皮肤的角质层被最小程度地侵入，所以可以引起非常低水平的皮肤损害和疼痛，另外，微针电极的抗菌性，可防止由于皮肤损害引起的继发感染。
[0023]
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
[0024]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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的附图。
[0025]
图1为本发明实施例提供的一种微针电极的结构示意图；
[0026]
图2为本发明实施例提供的一种微针模具的结构示意图；
[0027]
图3为本发明实施例提供的微针模具的一种剖视图；
[0028]
图4为微针电极的制备方法的示意图一；
[0029]
图5为微针电极的制备方法的示意图二；
[0030]
图6为微针电极的制备方法的示意图三；
[0031]
图7为微针电极的制备方法的示意图四；
[0032]
图8为微针电极的制备方法的示意图五；
[0033]
附图标记说明：
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1-贴片层，2-多个微针，3-穿透电极，4-类金刚石薄膜，5-微针模具。
具体实施方式
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下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0036]
本发明的说明书实施例和权利要求书及附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元。
[0037]
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
[0038]
如图1-8，本发明实施例提供一种微针电极，包括：
[0039]
贴片层1；
[0040]
多个微针2，位于所述贴片层的一侧，与所述微针2一体成型；
[0041]
穿透电极3，穿过所述贴片层1，其一端与所述微针2电连接；
[0042]
掺杂有银纳米粒子掺杂的类金刚石薄膜4，涂敷在穿透电极3与微针2电连接的部分的表面，以及所述微针1的表面。
[0043]
在一个示例中，所述微针2可在贴片层1的一侧规则地排列。此外，微针也可按不规则间隔排列。微针之间的间距可能不同。
[0044]
在一个示例中，贴片层1可以是生物相容性的高分子化合物，包括但不限于聚二甲基硅氧烷(pdms)，聚甲基丙烯酸甲酯(pmma),聚丙烯酸乙酯,聚甲基丙烯酸已酯、聚异丁烯中的任意一种。
[0045]
在一个示例中，穿透电极3是穿透贴片层的电极，主体分布在贴片层的两侧，一侧与微针形成电导通，一侧于通讯设备连接，材质是金，银，钛，铂中的一种或多种。
[0046]
在一个示例中，类金刚石薄膜层形成于贴片层的一侧，与微针和穿透电极接触，并通过穿透电极与外部通讯。所述类金刚石薄膜层有掺杂银纳米粒子，比例可根据导电，抗菌，机械等性能进行调整。掺杂后的类金刚石薄膜能使微针电极具有好的导电性，好的生物兼容性，抗菌性，耐磨性，光滑平整性。
[0047]
在一个示例中，类金刚石薄膜4中的银纳米粒子的掺杂比例为3％-25％(摩尔比)，银纳米粒子的粒径范围：5nm-50nm。
[0048]
本发明实施例还提供一种微针电极的制备方法，包括以下步骤：
[0049]
步骤s1，制备微针模型，如图3；
[0050]
步骤s2，将聚合物热熔并填充至模具中，如图4-5；
[0051]
步骤s3，在所述聚合物未固化前，插入穿透电极用于电连接,如图6；
[0052]
步骤s4，固化并脱模，得到聚合物微针阵列，如图7；
[0053]
步骤s5，在微针表面制备银纳米粒子掺杂的类金刚石薄膜，如图8；
[0054]
在一个示例中，步骤s1中，通过微加工、机械加工等方式制备微针模具。
[0055]
在一个示例中，在步骤s2中，通过热压成型的方式，将聚合物热熔并填充至模具中。
[0056]
在一个示例中，在步骤s5中，在微针表面沉积银纳米粒子掺杂的类金刚石薄膜。
[0057]
本发明的微针电极贴片可以用于生物信号测量的电极贴片或可用于医疗环境等各种领域的生物电刺激。生物信号可以是指电活动，如由生物体中不同器官的活动所产生的特殊电压或电流。生物信号可以是生物电信号，生物电势可以是心电图(ecg)、肌电图(emg)、脑电图(eeg)、心电图(eng)或类似的东西。
[0058]
当应用到皮肤上时，本发明的微针电极由于外层薄膜的光滑平整性，能使其轻易地穿过皮肤的角质层，从而可以高灵敏度地测量/传输生物信号，或者可以进行电刺激。由于皮肤的角质层被最小程度地侵入，所以可以引起非常低水平的皮肤损害和疼痛，另外，微针电极的抗菌性，可防止由于皮肤损害引起的继发感染。
[0059]
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。