用于生物体的植入式柔性阵列电极及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于生物体的植入式柔性阵列电极及其制备方法，制备的板形可植入式阵列电极用于动物实验，特别适合于动物的脑皮层电刺激实验，属于生物医学工程与电化学材料技术领域。
【背景技术】
[0002]神经电刺激与记录技术在生物医学领域飞速发展，越来越多神经系统疾病的治疗与修复研宄工作都需要动物实验评价其安全性与有效性。脑皮层图谱(cortical mapping)技术是基于神经电刺激与记录的新兴研宄方法，它通过在大鼠运动皮层区域施加一个大于阈值强度的脉冲电流刺激，激活该点运动皮层诱发大鼠不同部位的运动反应，从而明确该点隶属于哪个部位的运动功能区，通过刺激整个运动皮层的各个区域就能得到大鼠大脑运动皮层的功能图谱，观察大鼠皮层运动功能区大小和功能的变化就可以评估大鼠脑损伤和修复的效果。
[0003]经典的大鼠脑运动皮层绘图技术是打开颅骨，掀开硬脑膜，将微针电极插入到皮层第五层进行电刺激。这种方法有以下缺点:(I)破坏了皮层的完整性；(2)针电极每次插入刺激只能得到一个点的图谱，绘制整个皮层功能区图谱需要多次的插入与移出，整个手术时间非常长；(3)大鼠脑硬膜打开再关闭后，会很快出现血管和新生组织增生，一般一周后即很难再次打开硬脑膜进行第二次运动皮层功能区绘图，此技术无法在同一只大鼠上反复绘制皮层功能区图谱，从而动态观察大鼠脑损伤修复的皮层功能区变化；(4)此技术需要大鼠麻醉下进行，反复麻醉会对大鼠的生存和行为学功能产生影响。
[0004]植入式柔性阵列电极有望解决上述问题，但这样的阵列电极需要满足多方面的要求。首先，阵列电极的电极点应具有优异的电化学性能。一方面，它需要能传输足够大的电流信号来达到刺激阈值，完成特定的刺激需要；另一方面，在传输刺激的同时，不会因为界面的电势极化引起自身的腐蚀或电解质的水解，造成不安全的刺激后果；其次，阵列电极应具有一定的柔软性和生物相容性，这样植入后才可以保持长期工作的稳定性；另外，由于动物实验需要大量的样本量，这种阵列电极的加工制作方法，必须简单易行，生产成本应尽量低廉。
[0005]目前，用作神经电极的阵列电极多采用微机电系统(MEMS)，它通过在硅片上或者其它材料基体上旋转涂覆一层绝缘基底，经溅射、光刻等多项后续工艺步骤形成微阵列电极。然而；这种方法制备的电极通常采用铂、金等惰性金属，它们多用于生物电记录，并不能作为刺激电极传输较大的电流强度；而且加工工艺复杂，工艺成本非常高。其他的制备方法，如柔性印刷线路板(FPC)技术被广泛用于电子通信领域，它可以根据需要制作成不同的样式，其最小线宽与最低线距可以到达0.05mm，这样满足了一般阵列电极的设计需要，具有较高的空间分辨率。同时，柔性印刷电路板的基底导体金属为铜，仅仅在焊盘等暴露在外部的区域等采取镀金处理，这样大大降低了生产的成本，也满足了一般的使用要求。具有低成本、轻便、易加工的特点。然而，基于柔性电路板技术制作阵列电极鲜有报道，由于镀金材料的电荷传输能力有限，容易引起基层如铜箔的腐蚀损坏，并不适合作为刺激电极传输电流。
[0006]植入式柔性阵列电极电极点的电荷传输能力主要由材料决定的，必须满足基本的性能要求。由于植入式柔性阵列电极与电极点通常设计的非常小，为了降低植入过程手术的创伤，在即使很小的动物头部皮质上也能满足较高的空间分辨率。但是，当电极点尺寸变小时，单位面积上传输的电流密度容易过高，带来材料的腐蚀、损坏，以及电解液的水解等生物安全性的影响，不利于安全性的电刺激。铂、金是应用较为广泛的植入电极材料，但是成本价格过高，而且其安全的电荷传输能力有限(约为0.15?0.2mC/cm2)，他们通常作为信号的记录电极使用，不适合作为传输大电荷密度的刺激电极。
【发明内容】
[0007]本发明的一个目的是，针对上述现有技术存在的问题，利用柔性印刷线路板制作技术制作用于生物体的植入式柔性阵列电极。所述阵列电极通过电化学方法在电极点的铜箔层上的镀金层上修饰高电容性薄膜层，使电极点因高电容性材料增强界面电荷传输的能力，在较小的电极点上能够传输更大的电荷量，克服仅有镀金层的电极点安全电荷容量小，不能用于动物的神经电刺激实验的问题。本发明用于生物体的植入式柔性阵列电极，具有较高的空间分辨率，柔软、贴附性好，受体容易接受，能提供较大的安全电荷刺激密度，满足动物神经电刺激特别是高电荷密度刺激的需要，同时，这种电极还可以用于脑皮层电信号的记录，满足作为神经微电极同时具有电刺激和神经电信号记录双向功能的要求。
[0008]本发明的另一个目的是，提供一种用于生物体的植入式柔性阵列电极的制备方法。该方法针对动物实验中对植入式柔性阵列电极的大量需要，克服现有阵列电极性能及加工难，成本高的缺陷。现有技术的阵列电极采用贵金属如金、铂，或是整版镀金，该镀金的整个耗材，耗能都高，时间长，生产成本昂贵，而本发明提供的技术方案生产效率高，并且仅在电极点的铜箔层上镀金，然后再修饰高电容性薄膜层，易于实施和加工，减少贵金属用量，节约能源，降低材料成本和整个生产成本。
[0009]本发明的用于生物体的植入式柔性阵列电极的技术方案是:
一种用于生物体的植入式柔性阵列电极，它包括柔性的基底，该基底表面沉着有至少2条并列的条状铜箔层，每条铜箔层的一端为电极点的铜箔层，另一端为焊盘的铜箔层，中部铜箔层为导线；电极点的铜箔层上和焊盘的铜箔层上还镀有镀金层；电极点的镀金层之上还覆盖有高电容性薄膜层；导线的铜箔层宽度小于圆形的电极点的铜箔层的直经；基底裸露的表面及导线的铜箔层表面上有绝缘覆盖层。
[0010]进一步的技术方案是:
所述的用于生物体的植入式柔性阵列电极，所述的电极点的铜箔层的直经为0.21?5mm，电极点间距0.3?Imm0
[0011]所述的用于生物体的植入式柔性阵列电极，所述的铜箔层有2条，电极点有2个，单列组成阵列电极。
[0012]所述的用于生物体的植入式柔性阵列电极，所述的铜箔层有4条，电极点有4个，按2X2的矩形方阵排列组成阵列电极。
[0013]所述的用于生物体的植入式柔性阵列电极，所述的铜箔层有16条，电极点有16个，按4X4的矩形方阵排列组成阵列电极。
[0014]所述的用于生物体的植入式柔性阵列电极，所述的基底和绝缘覆盖层均为聚合物薄膜，该聚合物薄膜由聚酰亚胺，或聚二甲基硅氧烷，或聚对二甲苯材料制成，厚度均为0.01 ?0.03mm。
[0015]所述的用于生物体的植入式柔性阵列电极，所述的铜箔层厚度为0.01?0.2mm。
[0016]所述的用于生物体的植入式柔性阵列电极，所述的铜箔层厚度为0.01?0.03mm。
[0017]所述的用于生物体的植入式柔性阵列电极，所述的镀金层的厚度为0.00002?0.0Olmm ;高电容性薄膜层厚度为0.00002?0.001mm。
[0018]所述的用于生物体的植入式柔性阵列电极，所述的高电容性薄膜层的材料为氧化铱，或为导电聚合物。
[0019]所述的用于生物体的植入式柔性阵列电极，所述的导电聚合物为聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺及其衍生物它们中的一种，或两种或三种的组合物。
[0020]本发明的用于生物体的植入式柔性阵列电极制备方法的技术方案是:
用于生物体的植入式柔性阵列电极制备方法包括以下步骤:
A、制作具有电极点和导线及焊盘三者铜箔层为一体的阵列电极板:首先对基底进行预处理，然后在基底表面上沉积一层铜箔层，或采用市售的铜箔层与基底成形的型材，再按照电极点和导线及焊盘平面布置结构进行显影曝光，通过喷淋蚀刻处理，得到具有电极点和导线及焊盘三者铜箔层为一体的阵列电极板；
B、热压封装:先按A步骤阵列电极板的基底同样大小制作绝缘覆盖膜；然后在绝缘覆盖膜上预制与阵列电极板的基底上电极点的铜箔层和焊盘的铜箔层相对应的孔；再将绝缘覆盖膜覆盖在基底表面上，绝缘覆盖膜上预制的孔露出电极点的铜箔层和焊盘的铜箔层；最后经过热压合，使绝缘覆盖层与导线的铜箔层及基底无铜箔层的表面紧密贴合；
C、镀金:对B步骤中绝缘覆盖层所有孔下的电极点的铜箔层和焊盘的铜箔层它们的表面进行镀金处理，使电极点的铜箔层和焊盘的铜箔层具有抗腐蚀性能；
D、电化学修饰电极点:将C步骤镀有镀金层的电极点置于高电容性材料的沉积液中，通过电化学