[发明专利]一种针对脑组织电信号记录与调控的基于纳米针电极柔性微流控装置及其制备方法

说明书

本发明属于微流控制技术领域，具体公开一种基于纳米针电极柔性微流控装置，包括纳米针传感器和由PDMS模块制成的中间有通孔的细胞培养容器，纳米针传感器包括空心金纳米针电极阵列、蛇形柔性导线、对电极，并通过绝缘层对空心金纳米针电极阵列进行封装，空心金纳米针电极阵列置于细胞培养器的底部并部分地对应于通孔位置，且金纳米针一侧朝上并有部分从通孔的底部露出。该微流控装置具有较好的生物相容性，为神经电极材料的选取拓展了思路；同时空心金纳米针电极阵列表面积大，密度高，尺寸小，可以实现稳定、高信噪比的神经记录；其可以与生物组织相适应，生物相容性好，适用于植入体内，具有良好的应用前景，此外，其可以同时实现细胞内记录、高通量并行记录以及在体组织记录。

技术领域

本发明属于微流控制技术领域，特别涉及一种针对脑组织电信号记录与调控的基于纳米针电极柔性微流控装置及其制备方法。

背景技术

人类大脑神经元众多，研究神经元之间的连接与工作机制对治疗阿尔茨海默综合症、亨廷顿综合症、帕金森综合症等神经衰退性疾病有着重要意义。脑机界面(Brain-machine interface，BMI)是神经工程中重要的一部分，作为大脑和外部设备之间的直接通信通路，通过结合各种新型技术，可以促进假肢和新型输入设备的发展。脑机界面中最重要的组成部件是神经电极，为了监测神经元发出的快速大量的信号，并保持信号的稳定、一致、准确，制备集成度高，性能优良，生物相容性良好的电极具有非常重要的研究价值。通过监测大脑、心脏细胞的胞内外电信号变化，有助于深入理解大脑与心脏生命行为及其生物基础、并服务于生物医学研究和疾病诊疗技术的开发。

脑组织电信号主要来源于神经细胞的动作电位，细胞动作电位的记录需要考虑多方面因素：

1)信号质量，包括信号幅值与信噪比，具备高灵敏和高分辨地记录胞内电信号的能力，同时保证器件噪声较小。

2)监测胞内动作电位可以提供高信噪比信号，而且信号峰谱能反映更多细节动作电位，而且胞内信号检测还能确保检测的信号源自单细胞，为精准信号记录提供可能。

3)高通量同步并行地记录生物活体组织网络上神经细胞电信号分布，绘制器官、组织及细胞网络的时空信息。

传统的细胞外记录方法，通常采用多电极阵列(如微电极、场效应管阵列)等非侵入性传感检测技术，可实现高通量与长时间的生物电信号记录。金属微丝电极最早用于大脑的长期记录，一般由钨丝、镍铬丝、铂铱合金丝等材料制成；外部除尖端包裹绝缘材料如特氟龙、聚酰亚胺和聚对二甲苯，可以关注单个神经元并且研究动物清醒时的活动行为。金属微丝电极在制成电极阵列后可以同时记录大量神经元的活动，提取更多的有用信息，在多重时间和空间尺度上能捕获脑回路相互作用的动态信息。微丝电极制作工艺简单、植入方便、具有一定的柔性，但是多通道的金属微丝电极的各个通道一致性较差，且金属微丝电极阵列占据空间较大，植入时对组织破坏比较严重。此外，细胞外信号记录技术不能用于胞内电信号的记录。细胞外电信号质量与细胞-电极耦合状态、相对位置有着紧密的关系，并且这些条件难以控制，从而极大地影响信号质量和通道间信号的一致性。

细胞内电信号记录的常规方法是膜片钳技术，多用于膜片钳单细胞记录设备上的玻璃电极是最早被应用的一种电极，利用毛细玻璃管高温拉制，尖端横向通常可以达到微米量级，在使用时毛细管前端可以进入细胞膜进行相应的电势记录，毛细管中间灌注电解液，后端利用浸入在电解液中的Ag/AgCl金属丝与外电路相连。电流钳技术能记录标准的动作电位信号，而且电压钳技术还能记录离子通道响应，是理解电兴奋型细胞行为的基础。然而，手动膜片钳的通量较低、操作过程复杂耗时，操作对细胞造成较大的伤害，导致无法长时记录细胞的电生理信号(<2小时)。自动膜片钳技术可以地逐个对多个细胞进行单细胞内信号记录，但它们无法同时在多个细胞进行记录，开展细胞网络记录的研究。

微纳传感检测技术的不断发展为在体生物电信号记录的研究提供了巨大的潜力。目前单细胞胞内信号记录的方法目前主要有两类，有源(场效应管)和无源(导电纳米电极)的纳米传感器阵列。