用于生物體的植入式柔性陣列電極及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及用于生物體的植入式柔性陣列電極及其制備方法，制備的板形可植入式陣列電極用于動物實驗，特別適合于動物的腦皮層電刺激實驗，屬于生物醫學工程與電化學材料技術領域。
【背景技術】
[0002]神經電刺激與記錄技術在生物醫學領域飛速發展，越來越多神經系統疾病的治療與修復研宄工作都需要動物實驗評價其安全性與有效性。腦皮層圖譜(cortical mapping)技術是基于神經電刺激與記錄的新興研宄方法，它通過在大鼠運動皮層區域施加一個大于閾值強度的脈沖電流刺激，激活該點運動皮層誘發大鼠不同部位的運動反應，從而明確該點隸屬于哪個部位的運動功能區，通過刺激整個運動皮層的各個區域就能得到大鼠大腦運動皮層的功能圖譜，觀察大鼠皮層運動功能區大小和功能的變化就可以評估大鼠腦損傷和修復的效果。
[0003]經典的大鼠腦運動皮層繪圖技術是打開顱骨，掀開硬腦膜，將微針電極插入到皮層第五層進行電刺激。這種方法有以下缺點:(I)破壞了皮層的完整性；(2)針電極每次插入刺激只能得到一個點的圖譜，繪制整個皮層功能區圖譜需要多次的插入與移出，整個手術時間非常長；(3)大鼠腦硬膜打開再關閉后，會很快出現血管和新生組織增生，一般一周后即很難再次打開硬腦膜進行第二次運動皮層功能區繪圖，此技術無法在同一只大鼠上反復繪制皮層功能區圖譜，從而動態觀察大鼠腦損傷修復的皮層功能區變化；(4)此技術需要大鼠麻醉下進行，反復麻醉會對大鼠的生存和行為學功能產生影響。
[0004]植入式柔性陣列電極有望解決上述問題，但這樣的陣列電極需要滿足多方面的要求。首先，陣列電極的電極點應具有優異的電化學性能。一方面，它需要能傳輸足夠大的電流信號來達到刺激閾值，完成特定的刺激需要；另一方面，在傳輸刺激的同時，不會因為界面的電勢極化引起自身的腐蝕或電解質的水解，造成不安全的刺激后果；其次，陣列電極應具有一定的柔軟性和生物相容性，這樣植入后才可以保持長期工作的穩定性；另外，由于動物實驗需要大量的樣本量，這種陣列電極的加工制作方法，必須簡單易行，生產成本應盡量低廉。
[0005]目前，用作神經電極的陣列電極多采用微機電系統(MEMS)，它通過在硅片上或者其它材料基體上旋轉涂覆一層絕緣基底，經濺射、光刻等多項后續工藝步驟形成微陣列電極。然而；這種方法制備的電極通常采用鉑、金等惰性金屬，它們多用于生物電記錄，并不能作為刺激電極傳輸較大的電流強度；而且加工工藝復雜，工藝成本非常高。其他的制備方法，如柔性印刷線路板(FPC)技術被廣泛用于電子通信領域，它可以根據需要制作成不同的樣式，其最小線寬與最低線距可以到達0.05mm，這樣滿足了一般陣列電極的設計需要，具有較高的空間分辨率。同時，柔性印刷電路板的基底導體金屬為銅，僅僅在焊盤等暴露在外部的區域等采取鍍金處理，這樣大大降低了生產的成本，也滿足了一般的使用要求。具有低成本、輕便、易加工的特點。然而，基于柔性電路板技術制作陣列電極鮮有報道，由于鍍金材料的電荷傳輸能力有限，容易引起基層如銅箔的腐蝕損壞，并不適合作為刺激電極傳輸電流。
[0006]植入式柔性陣列電極電極點的電荷傳輸能力主要由材料決定的，必須滿足基本的性能要求。由于植入式柔性陣列電極與電極點通常設計的非常小，為了降低植入過程手術的創傷，在即使很小的動物頭部皮質上也能滿足較高的空間分辨率。但是，當電極點尺寸變小時，單位面積上傳輸的電流密度容易過高，帶來材料的腐蝕、損壞，以及電解液的水解等生物安全性的影響，不利于安全性的電刺激。鉑、金是應用較為廣泛的植入電極材料，但是成本價格過高，而且其安全的電荷傳輸能力有限(約為0.15?0.2mC/cm2)，他們通常作為信號的記錄電極使用，不適合作為傳輸大電荷密度的刺激電極。
【發明內容】
[0007]本發明的一個目的是，針對上述現有技術存在的問題，利用柔性印刷線路板制作技術制作用于生物體的植入式柔性陣列電極。所述陣列電極通過電化學方法在電極點的銅箔層上的鍍金層上修飾高電容性薄膜層，使電極點因高電容性材料增強界面電荷傳輸的能力，在較小的電極點上能夠傳輸更大的電荷量，克服僅有鍍金層的電極點安全電荷容量小，不能用于動物的神經電刺激實驗的問題。本發明用于生物體的植入式柔性陣列電極，具有較高的空間分辨率，柔軟、貼附性好，受體容易接受，能提供較大的安全電荷刺激密度，滿足動物神經電刺激特別是高電荷密度刺激的需要，同時，這種電極還可以用于腦皮層電信號的記錄，滿足作為神經微電極同時具有電刺激和神經電信號記錄雙向功能的要求。
[0008]本發明的另一個目的是，提供一種用于生物體的植入式柔性陣列電極的制備方法。該方法針對動物實驗中對植入式柔性陣列電極的大量需要，克服現有陣列電極性能及加工難，成本高的缺陷。現有技術的陣列電極采用貴金屬如金、鉑，或是整版鍍金，該鍍金的整個耗材，耗能都高，時間長，生產成本昂貴，而本發明提供的技術方案生產效率高，并且僅在電極點的銅箔層上鍍金，然后再修飾高電容性薄膜層，易于實施和加工，減少貴金屬用量，節約能源，降低材料成本和整個生產成本。
[0009]本發明的用于生物體的植入式柔性陣列電極的技術方案是:
一種用于生物體的植入式柔性陣列電極，它包括柔性的基底，該基底表面沉著有至少2條并列的條狀銅箔層，每條銅箔層的一端為電極點的銅箔層，另一端為焊盤的銅箔層，中部銅箔層為導線；電極點的銅箔層上和焊盤的銅箔層上還鍍有鍍金層；電極點的鍍金層之上還覆蓋有高電容性薄膜層；導線的銅箔層寬度小于圓形的電極點的銅箔層的直經；基底裸露的表面及導線的銅箔層表面上有絕緣覆蓋層。
[0010]進一步的技術方案是:
所述的用于生物體的植入式柔性陣列電極，所述的電極點的銅箔層的直經為0.21?5mm，電極點間距0.3?Imm0
[0011]所述的用于生物體的植入式柔性陣列電極，所述的銅箔層有2條，電極點有2個，單列組成陣列電極。
[0012]所述的用于生物體的植入式柔性陣列電極，所述的銅箔層有4條，電極點有4個，按2X2的矩形方陣排列組成陣列電極。
[0013]所述的用于生物體的植入式柔性陣列電極，所述的銅箔層有16條，電極點有16個，按4X4的矩形方陣排列組成陣列電極。
[0014]所述的用于生物體的植入式柔性陣列電極，所述的基底和絕緣覆蓋層均為聚合物薄膜，該聚合物薄膜由聚酰亞胺，或聚二甲基硅氧烷，或聚對二甲苯材料制成，厚度均為0.01 ?0.03mm。
[0015]所述的用于生物體的植入式柔性陣列電極，所述的銅箔層厚度為0.01?0.2mm。
[0016]所述的用于生物體的植入式柔性陣列電極，所述的銅箔層厚度為0.01?0.03mm。
[0017]所述的用于生物體的植入式柔性陣列電極，所述的鍍金層的厚度為0.00002?0.0Olmm ;高電容性薄膜層厚度為0.00002?0.001mm。
[0018]所述的用于生物體的植入式柔性陣列電極，所述的高電容性薄膜層的材料為氧化銥，或為導電聚合物。
[0019]所述的用于生物體的植入式柔性陣列電極，所述的導電聚合物為聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺及其衍生物它們中的一種，或兩種或三種的組合物。
[0020]本發明的用于生物體的植入式柔性陣列電極制備方法的技術方案是:
用于生物體的植入式柔性陣列電極制備方法包括以下步驟:
A、制作具有電極點和導線及焊盤三者銅箔層為一體的陣列電極板:首先對基底進行預處理，然后在基底表面上沉積一層銅箔層，或采用市售的銅箔層與基底成形的型材，再按照電極點和導線及焊盤平面布置結構進行顯影曝光，通過噴淋蝕刻處理，得到具有電極點和導線及焊盤三者銅箔層為一體的陣列電極板；
B、熱壓封裝:先按A步驟陣列電極板的基底同樣大小制作絕緣覆蓋膜；然后在絕緣覆蓋膜上預制與陣列電極板的基底上電極點的銅箔層和焊盤的銅箔層相對應的孔；再將絕緣覆蓋膜覆蓋在基底表面上，絕緣覆蓋膜上預制的孔露出電極點的銅箔層和焊盤的銅箔層；最后經過熱壓合，使絕緣覆蓋層與導線的銅箔層及基底無銅箔層的表面緊密貼合；
C、鍍金:對B步驟中絕緣覆蓋層所有孔下的電極點的銅箔層和焊盤的銅箔層它們的表面進行鍍金處理，使電極點的銅箔層和焊盤的銅箔層具有抗腐蝕性能；
D、電化學修飾電極點:將C步驟鍍有鍍金層的電極點置于高電容性材料的沉積液中，通過電化學