一种缩放拓扑结构的神经电极阵列及其制备方法

1.本发明涉及神经科学、医用机械技术领域以及生物医学工程邻域，具体地，涉及一种缩放拓扑结构的神经电极阵列及其制备方法。


背景技术：

2.神经接口技术是获取信号的一个重要手段，通过极小的电极接近神经元，获取单个神经元的信号。但大脑实际工作的时候，一个具体的动作或想法需要数十个，数百个，数千个甚至数万个神经元相互协同作用产生的，因而只获得单个神经元的信号是远远不够的。另外，这些神经元所处的位置也各不相同，所以通过简单的阵列无法准确获取特定位置神经元的电活动。
3.目前，大多数文献对电极的设计都是由多个相同的电极形成一个电极阵列，这往往只对单个神经元或多个神经元的电信号平均值进行一个采集和分析，获得的神经元电活动也局限于矩形、圆形等常规区域。weiyang yang等人2021年在期刊lab on a chip 21(9) 1096
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1108上发表了文章a fully transparent, flexible pedot:pss
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ito
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ag
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ito based microelectrode array for ecog recording，该文献公开了一种用于大脑皮层的柔性透明电极阵列及其制备方法。这种电极阵列的主要特点是全透明，但不同电极点的大小一致，并且电极阵列是以均匀的水平、垂直间距分布的。
4.joonsoo jeong等人2019年在期刊microelectronic engineering (216) 111096上发表了文章microfabrication process for long-term reliable neural electrode arrays using liquid crystal polymer (lcp)，该文献公开了一种基于液晶聚合物的柔性电极阵列及其制备方法。这种电极阵列的主要特点是可靠性高，通过特定设计能够实现10年以上的工作寿命。然而，其电极阵列也是以均匀的水平、垂直间距分布的。
5.综上，虽然关于电极阵列的结构设计得到了一定的研究，但是文献中大多集中于多个独立的相同的电极点构成一个电极阵列的研究，忽略不同尺寸电极阵列进行拓扑排列的情况。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种缩放拓扑结构的神经电极阵列及其制备方法。所述拓扑结构是将不同尺寸的电极点组合构成不同的几何形状，如环形结构，星型结构，树形结构等。拓扑结构不局限于一种结构，可以是两种或三种以上拓扑结构的融合。
7.为实现上述目的，本发明提供一种缩放拓扑结构的神经电极阵列及其制备方法。
8.本发明提供一种缩放拓扑结构的神经电极阵列，其将不同尺寸的电极点，按照特定的结构排列形成缩放拓扑结构的电极阵列，其为环形结构、星型结构或者两者的融合。
9.本发明中的神经电极阵列，具有以下结构：（1）缩放拓扑结构中所有电极点的直径大小范围在5微米~100微米；
（2）缩放拓扑结构中心放置有一个圆形电极点，直径范围为0.04-0.1毫米；（3）以缩放拓扑结构为一个基点，并以该基点为圆心，将缩放拓扑结构神经电极阵列测量的神经组织区域的外周分成六个区域，以该基点为圆心，直径为0.08-2毫米的圆上放置有六个直径为0.03-0.05微米的电极点；（4）在（3）的电极点间隔之间放置有六个直径为0.015-0.025毫米的圆形电极点，各个电极点的圆心到区域圆心的距离为0.09-4毫米；（5）在（3）的电极点与区域圆心的连线上，放置有六个直径为12.4微米的电极点，各个电极点的圆心距离区域圆心的距离为0.1-5毫米。
10.本发明中，神经电极阵列用于面向大脑皮层或者脑深部的某块区域测量，区域的等效面积范围在0.1平方毫米~25平方毫米之间。
11.本发明还提供一种缩放拓扑结构的神经电极阵列的制备方法，包括以下步骤：（1）采用化学气相沉积法在硅片上沉积一层parylene-c，厚度2-5微米；（2）甩正胶并利用掩膜版进行图形化；溅射或蒸镀电极导电层，采用lift-off工艺去除光刻胶，金属层构成电极的导电结构；其中，掩模版根据待制备的拓扑电极阵列的拓扑参数和设计尺寸制得；（3）再次采用化学气相沉积法沉积第二层parylene-c，厚度2-5微米，然后甩正胶并图形化，采用反应离子刻蚀parylene-c，暴露出电极点，刻蚀电极的外形轮廓，构成拓扑电极阵列的覆盖层；（4）将器件从硅片上释放，获得柔性缩放拓扑结构的神经电极阵列。
12.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：不同尺寸的电极点能够获取不同范围内神经元的神经电活动，通过不同尺寸的电极点形成拓扑阵列就能获得对应拓扑结构神经元的神经活动，直接用于神经网络的研究。将不同尺寸大小的电极点通过拓扑结构排列组合，能够同时获取数十个，数百个，数千个甚至数万个神经元相互协同作用产生的神经元的信号。
13.同时，同尺寸的电极点能够对不同范围内神经元进行电刺激，通过不同尺寸的电极点形成拓扑阵列就能对相应拓扑结构神经元进行电刺激，也可以直接用于神经网络的干预与研究。本发明所述的缩放拓扑结构的神经电极阵列，能够依据拓扑结构研究不同维度、多个神经元互联协同工作的情况。为提取神经信号或刺激神经元提供新工具，在拓扑结构从内向外的方向依次提高电极的精密程度，研究神经信号的传递过程。同时，这种拓扑结构使电极的阻抗也依次升高，能够获得阻抗梯度升高的电极阵列。
附图说明
14.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本发明一实施例一种具有星型拓扑结构的电极阵列的示意图。
具体实施方式
15.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术
人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
16.实施例1本实施例提供一种缩放拓扑结构的神经电极阵列的设计方法，通过其将不同尺寸的电极点，按照特定的结构排列形成缩放拓扑结构的电极阵列，其为环形结构、星型结构或者两者的融合，电极点的直径大小范围在5微米~100微米，具体过程如下：（1）利用缩放拓扑结构神经电极阵列测量的神经组织区域为一块圆形区域，其直径为0.3毫米；（2）以此拓扑结构的中心放置一个直径为0.1毫米的圆形电极点，获得神经核团级别的电活动，如图1所示；（3）以待构建的拓扑结构中心为一个基点，并以该基点为圆心，将该圆的外周分成六个区域，进一步地，在以该基点为圆心，直径为0.08毫米的圆上放置有六个直径为0.05微米的电极点，获得数十个神经元级别的电活动，如图1所示；（4）在（3）的电极点间隔之间放置六个直径为0.025毫米的圆形电极点，获得数个神经元级别的电活动，各个电极点的圆心到区域圆心的距离为0.11毫米，如图1所示；（5）在（3）的电极点与区域圆心的连线上，放置六个直径为12.4微米的电极点，获得单个神经元级别的电活动，各个电极点的圆心距离区域圆心的距离为0.1225毫米；（6）利用上述拓扑结构的尺寸参数制造掩模版。采用化学气相沉积法在硅片上沉积一层parylene-c，厚度3微米；（7）甩正胶并利用掩膜版进行图形化，溅射或蒸镀电极导电层，采用lift-off工艺去除光刻胶，金属层构成电极的导电结构；（8）再次采用化学气相沉积法沉积第二层parylene-c，厚度3微米。然后甩正胶并图形化，采用反应离子刻蚀parylene-c，暴露出电极点，刻蚀电极的外形轮廓，构成拓扑电极阵列的覆盖层；（9）将器件从硅片上释放，获得柔性缩放拓扑结构的神经电极阵列。
17.实施例2本实施例提供一种缩放拓扑结构的神经电极阵列的设计方法，通过其将不同尺寸的电极点，按照特定的结构排列形成缩放拓扑结构的电极阵列，其为环形结构、星型结构或者两者的融合，电极点的直径大小范围在5微米~100微米，具体过程如下：（1）利用缩放拓扑结构神经电极阵列测量的神经组织区域为一块圆形区域，其直径为2毫米；（2）以此拓扑结构的中心放置一个直径为0.1毫米的圆形电极点，获得神经核团级别的电活动，如图1所示；（3）以待构建的拓扑结构中心为一个基点，并以该基点为圆心，将该圆的外周分成六个区域，进一步地，在以该基点为圆心，直径为0.5毫米的圆上放置有六个直径为0.04微米的电极点，获得数十个神经元级别的电活动，如图1所示；（4）在（3）的电极点间隔之间放置六个直径为0.02毫米的圆形电极点，获得数个神经元级别的电活动，各个电极点的圆心到区域圆心的距离为0.6毫米，如图1所示；（5）在（3）的电极点与区域圆心的连线上，放置六个直径为12.4微米的电极点，获
得单个神经元级别的电活动，各个电极点的圆心距离区域圆心的距离为1毫米；（6）利用上述拓扑结构的尺寸参数制造掩模版。采用化学气相沉积法在硅片上沉积一层parylene-c，厚度1微米；（7）甩正胶并利用掩膜版进行图形化，溅射或蒸镀电极导电层，采用lift-off工艺去除光刻胶，金属层构成电极的导电结构；（8）再次采用化学气相沉积法沉积第二层parylene-c，厚度1微米。然后甩正胶并图形化，采用反应离子刻蚀parylene-c，暴露出电极点，刻蚀电极的外形轮廓，构成拓扑电极阵列的覆盖层；（9）将器件从硅片上释放，获得柔性缩放拓扑结构的神经电极阵列。
18.综上所述，本发明设计了一个包含四种尺寸大小的电极点构成了一个星型缩放拓扑结构的电极阵列。
19.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。