一种微球囊集成可延展刺激电极与压力传感器阵列及方法

本发明属于生物医电，具体涉及一种微球囊集成可延展刺激电极与压力传感器阵列及方法。

背景技术：

1、随着柔性电子器件技术发展，已有部分研究报道集成应用于面向心脏诊疗的功能性球囊器件。通过在球囊表面集成传感器、电极，通过接口技术与外部信号采集设备或信号发生设备相连来实现心电监测、温度传感、电刺激等功能。

2、经过对现有技术的检索发现，2011年，d.h.kim团队在nature materials,2011,10(4):316-323中撰文“materials for multifunctional balloon catheters withcapabilities in cardiac electrophysiological mapping and ablation therapy”提出了具有心脏电生理监测和消融治疗功能的多功能球囊器件，球囊器件包含压力传感器阵列、温度传感器阵列、电极阵列以及球囊导管。其中，电极与蛇形互连结构绘制在均匀的pi薄膜表面，压力传感器阵列通过光刻加倒模的方式获得psr敏感桥结构后，集成于pi薄膜上的两个金属垫之间。用于对球囊与心脏界面的压力进行监测。但在该应用中，压力传感器为三维敏感结构，对空间的利用率较高。

3、2019年，上海交通大学刘景全团队在ieee electron device letters,2019,40(10):1674-1677撰文“flexible multi-positional microsensors for cryoablation temperature monitoring”，提出了用于冷冻消融低温检测的大尺寸球囊表面集成蛇形导线结构的parylene-c基底柔性血流传感器，球囊器件包含微球囊、可拉伸电极与基于热的血流传感器，实现在单个设备上提供血流动力学信息、电刺激和消融治疗功能。球囊器件的表面电极具有波浪形几何形状，流量传感器由热敏电阻和加热元件组成，通过两层聚酰亚胺覆盖层提供绝缘和支撑，金属层厚度经过精心设计，可以同时支撑传感和射频刺激。通过激光将聚酰亚胺层图形化。但该球囊器件适用于大尺寸场景，电极与血流传感结构的精度要求较低。

4、2020年，john a.rogers团队在nature biomedical engineering,2020,4(10):997-1009撰文“catheter-integrated soft multilayer electronic arrays formultiplexed sensing and actuation during cardiac surgery”，将刺激电极与压力传感器集成在大尺寸球囊导管表面，对心内膜的电信号进行检测，并通过局部加热的方式烧蚀部分心肌组织，实现对心律不齐的治疗以及同步压力检测。所使用球囊材料为低弹性聚氨酯材料，充放气过程弹性变形量小，泄气后主要呈瘪皱状，对表面集成的柔性电极延展性要求较低。但该球囊器件具有立体压力空腔结构，适用于大尺寸空间下的集成，不适合用于微球囊集成。

5、cn109223169a公开了一种肺静脉电隔离球囊结构，所述肺静脉电隔离球囊结构包括第一球囊、第二球囊和球囊导管，所述第一球囊为冷冻球囊，所述第二球囊表面设置有若干电极，所述第二球囊设置在前端，所述球囊导管包括分别导通所述第一球囊和所述第二球囊的通道管路和连接所述电极的电极连接线，然而将细小的电极连接线直接与导管粘接时，难以保证粘接可靠性。

6、cn115778522a公开了一种消融导管及消融系统，其中消融导管包括：导管主体、换能器及换能器电连接的多根导线，外电极设置在换能器主体的外侧壁上，内电极设置于换能器主体的内壁上，每个电极区域均与外电极导线电连接，且每个电极区域互相间并联设置，使多个电极区域能被独立控制，再由聚焦点对病灶位置进行消融，其消融效率高，对人体损伤小。但该器件系统集成度低，球囊扩张程度小，针对精密球囊器件研发提供的经验有限。

7、以上基于球囊的多功能器件实现了单个器件满足多种使用功能，但存在以下局限性：首先，各个功能器件独立分布，系统的集成度较低，因此导致其空间利用率低。其次，球囊主要为小延展球囊，其功能器件的互连导线多采用直线形式，延展性较小。最后，功能器件与球囊界面集成只需要保证其集成强度，弹性胶粘剂的延展性及其他特性要求不高，因此对于特殊场景的应用适用性低。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种微球囊集成可延展刺激电极与压力传感器阵列及方法，旨在制备出刺激电极与压力传感器阵列垂直堆叠集成于微球囊表面的多功能柔性器件。第一步采用光刻工艺处理光刻胶，得到压力传感器衬底层；第二步采用溅射工艺和干法刻蚀得到压力传感器敏感层；第三步采用光刻工艺得到压力传感器封装层；第四步采用溅射工艺和干法刻蚀得到刺激电极导电层；第五步采用光刻工艺将光刻胶图形化得到刺激电极封装层；第六步借助湿法腐蚀工艺将制备好的刺激电极与压力传感器阵列从硅片上释放下来；第七步借助水溶性胶带将刺激电极与压力传感器阵列从硅片表面转移下来；第八步是刺激电极与压力传感器阵列及微球囊的集成工艺。该工艺方法能保证刺激电极与压力传感器阵列随微球囊膨胀或收缩同步变形，满足电刺激和对刺激电极位点压力进行同位监测的需求，可实现微球囊膨胀后与神经组织接触变形程度定量化表达，并提供放电刺激闭环评估功能。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

3、一种微球囊集成可延展刺激电极与压力传感器阵列，包括球囊导管、压力传感器、刺激电极、器件尾端焊盘和大延展导线；

4、所述球囊导管包括金属端、微球囊和支撑管；所述微球囊两端各连接一个金属端，其中一个金属端再连接支撑管；

5、所述器件尾端焊盘集成在金属端或支撑管上，通过大延展导线分别与压力传感器和刺激电极连接；所述器件尾端焊盘同时与外部设备连接；

6、所述多个压力传感器和刺激电极集成于微球囊表面，形成刺激电极与压力传感器阵列。

7、进一步地，所述压力传感器和刺激电极的数量相同，在垂直方向上堆叠构成压力传感器和刺激电极模块；

8、所述压力传感器包括压力传感器封装层、压力传感器敏感层和压力传感器封装层；所述刺激电极包括刺激电极封装层、刺激电极导电层、压力传感器封装层；所述压力传感器封装层既作为压力传感器的封装层，同时也是刺激电极的衬底层；

9、所述压力传感器和刺激电极模块自上而下依次为刺激电极封装层、刺激电极导电层、压力传感器封装层、压力传感器敏感层、压力传感器衬底层；压力传感器和刺激电极模块通过弹性胶粘剂集成在微球囊表面，实现刺激电极与压力传感器阵列随微球囊的同步扩张。

10、进一步地，所述压力传感器敏感层中的压力敏感结构包括压力传感器信号端和压力传感器接地端；所述压力传感器接地端接地，压力传感器信号端与外部电路连接；压力传感器受力后，极间电容发生变化，对相应的电信号进行采集分析，最终获得相应的压力值。

11、进一步地，所述刺激电极封装层、压力传感器封装层和压力传感器衬底层的材料为聚合物薄膜材料。

12、进一步地，所述聚合物薄膜材料为聚酰亚胺pi或聚对苯二甲酸乙二醇酯pet或聚对二甲苯parylene，厚度为3-7μm。

13、进一步地，所述刺激电极导电层的材料为金或铂或铂铱合金；压力传感器敏感层的材料为银或铂。

14、进一步地，所述压力传感器和刺激电极模块有9个，每3个为一组，组内沿球囊导管的轴线直线排列；3组在微球囊表面远离器件尾端焊盘的上半段沿轴向间隔120°均匀分布，形成刺激电极与压力传感器阵列。

15、一种微球囊集成可延展刺激电极与压力传感器阵列的制备方法，包括如下步骤：

16、步骤1：将光刻胶材料覆盖在硅铝合金片铝片一面，采用光刻工艺将光刻胶材料图形化，得到压力传感器衬底层；

17、步骤2：采用溅射工艺将金属沉积在压力传感器衬底层表面，通过干法刻蚀工艺将金属图形化，得到压力传感器敏感层；

18、步骤3：将光刻胶材料覆盖在压力传感器敏感层上，采用光刻工艺将光刻胶材料图形化，得到压力传感器封装层，暴露出器件尾端焊盘结构；

19、步骤4：采用溅射工艺将金属沉积在压力传感器封装层表面，通过干法刻蚀工艺将金属图形化，得到刺激电极导电层；

20、步骤5：将光刻胶材料覆盖在刺激电极导电层上，采用光刻工艺将光刻胶图形化得到刺激电极封装层，暴露出器件尾端焊盘结构；

21、步骤6：采用湿法腐蚀工艺腐蚀铝片，将制备好的刺激电极与压力传感器模块从硅片上释放；

22、步骤7：使用水溶性胶带将刺激电极与压力传感器模块从硅片表面转移下来；

23、步骤8：使用弹性胶粘剂将刺激电极与压力传感器模块粘附在微球囊表面，去除水溶性胶带，将器件尾端焊盘暴露出来。

24、进一步地，所述步骤7中，将刺激电极与压力传感器模块从硅片表面转移下来后，采用水溶性胶带将刺激电极与压力传感器模块首先转印至柔性衬底表面，然后再进行步骤8。

25、进一步地，所述步骤8完成后，在微球囊的表面喷涂或滴涂一层密封材料来提升刺激电极与压力传感器阵列和微球囊集成的可靠性。

26、本发明的有益效果如下：

27、1、空间利用率高。刺激电极与压力传感器阵列中各个位点原位垂直堆叠集成于微球囊表面，大大提高了空间利用率，满足电刺激的同时对刺激电极界面压力进行同位监测的要求。

28、2、延展适配性强。互连导线采用蛇形导线形式，针对小尺度空间下有大变形需求的情况，器件可延展性能与之适配，对集成于球囊表面的柔性阵列器件延展性要求较高的情况下适应性更强。

29、3、集成可靠性好。刺激电极与压力传感器阵列从二维平面集成到弯曲微球囊表面时，可有效避免转印造成的大延展导线间相对位置错乱，使得刺激电极与压力传感器阵列随微球囊同步扩张并保持共形接触，确保集成可靠性良好。