[发明专利]一种光电集成可拉伸柔性神经电极及制备方法

说明书

本发明提供了一种光电集成可拉伸柔性神经电极及制备方法，柔性神经电极包括第一层弹性基底、光刺激电极、第二层弹性基底及记录电极；其中，光刺激电极和记录电极均采用蛇形弯曲布线结构；光刺激电极的下表面设置第一二氧化硅层，第一二氧化硅层与第一层弹性基底发生缩合反应产生的强化学键使所述光刺激电极粘合在第一层弹性基底表面；光刺激电极的上表面上设置第二层弹性基底，记录电极的下表面设置第二二氧化硅层，第二二氧化硅层与第二层弹性基底发生缩合反应产生的强化学键使记录电极粘合在第二层弹性基底表面，使记录电极与光刺激电极集成一体结构。本发明的柔性神经电极可以长期植入，具有高度柔性，能够承受脑组织膨胀收缩等变形影响。

技术领域

本发明属于生物医学工程技术领域的神经微电极，具体地，涉及一种光电集成可拉伸柔性神经电极及制备方法。

背景技术

随着脑机接口和神经科学的快速进步与发展，深入理解大脑功能和疾病已经成为世界各国争相研究的前沿方向之一。借助柔性电子科学和MEMS微纳加工能力，柔性神经微电极被越来越多地用来精准采集高密度、高信息量的脑电信号，为神经环路功能研究、脑区病灶确诊、神经解码等提供了全新的工具。

自从光遗传学的出现，让人们可以精准地刺激或抑制某类特定的神经元，已经成为神经系统疾病模型和神经环路功能研究必不可少的工具。目前将光源引入到大脑的主要方式通过一根光纤插入脑组织进行照射，但是分辨率极差。近年来，发展了带有开孔的光极探针、光波导、微型LED阵列等光源，分为将光源刺入到大脑深处和通过大脑皮层进行光刺激两种方式。侵入式相对较小的通过大脑皮层表面进行光刺激时，需要考虑大脑自身的膨胀和收缩带来的体积变化。

经对现有技术的检索发现，目前还未有研究提出集成微型LED芯片阵列和脑皮层电信号采集功能的可拉伸性脑机接口器件。日本丰桥技术科学大学Morikawa Y,YamagiwaS等人在Advanced healthcare materials,2018,7(3):1701100撰文“Ultrastretchablekirigami bioprobes”提出了一种具有剪纸结构的高度可拉伸性、承受最大应变可达840％，杨氏模量仅为3.6kPa的柔性神经微电极。器件采用11微米厚的Parylene-C材料作为柔性基底，共包含10个直接为50微米的铂电极点，电极点之间的间距和位置可通过拉伸调整，减小了器件自身应力对柔软脑组织的潜在损伤。但是提出的器件只有记录大脑皮层ECoG信号的功能，没有结合其他功能；整个结构在拉伸后产生面外变形，电极点难以保持平整可靠贴附在曲面表面；器件机械强度低，容易破损断裂，难以长期埋植使用。

有报道基于弹性聚合物材料(如PDMS)的柔性神经微电极，在承受大脑的膨胀或挤压时，可以通过自身拉伸形变，减小电极错位和电极对脑组织潜在的机械损伤等。中国北京大学Zhang J,Liu X等人在Nano letters,2018,18(5):2903-2911撰文“Stretchabletransparent electrode arrays for simultaneous electrical and opticalinterrogation of neural circuits in vivo”，在聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底内集成碳纳米管电极，具有一定拉伸性和透明性，碳纳米管电极上限可以拉伸到50％，循环拉伸20％反复10000次仍然可以保持良好的电化学性能，最后结合激光光纤大范围光刺激同步采集ECoG脑皮层电信号。瑞士苏黎世联邦理工大学Tybrandt K,Khodagholy D等人在AdvancedMaterials,2018,30(15):1706520上撰文“High-density stretchable electrode gridsfor chronic neural recording”，同样在PDMS基底内集成镀金二氧化钛纳米线制备高密度电极，长期埋植在大鼠大脑皮层上3个月仍然可以采集到脑皮层电信号。但由于脑组织杨氏模量(～1kPa)相比于PDMS(～1Mpa)低2-3个数量级，因此更加柔软的弹性基底材料更适合脑组织长期植入匹配，另外以上两种电极功能单一，并没有结合精准定位的光刺激，只有没有分辨率的大范围激光照射刺激。