[发明专利]一种基于多孔硅和聚合物的神经电极及其制作工艺和应用

说明书

本发明公开了一种基于多孔硅和聚合物的神经电极及其制作工艺和应用，属于电学传感器技术领域。该神经电极包括衬底层和衬底层上面的结构层，所述结构层为柔性聚合物‑电极材料层‑柔性聚合物的三明治结构，其中：所述衬底层是由多孔硅衬底和硅衬底组成；所述结构层的上表面分别设有电极触点Ⅰ和电极触点Ⅱ；电极触点Ⅰ用于脑信号记录触点，电极触点Ⅱ与外引线键合后与脑外部神经信号采集装置相连接。该神经电极用于脑神经信号的监测，多孔硅部分插入脑组织后，在脑组织的弱碱性环境中，多孔硅生成可溶性物质。该神经电极具有体积小、多通道、低功耗、成本低、性能稳定性强等特点。

技术领域

本发明涉及电学传感器技术领域，具体涉及一种基于多孔硅和聚合物的神经电极及其制作工艺和应用。

背景技术

世界范围内数以千万的人由于神经、肌肉系统疾病丧失了部分或者全部的身体运动功能。中风、脊髓损伤、脑部外伤、多发性硬化症是引起神经性运动功能障碍的主要原因。中国和美国有超过五百万人因此类疾病而瘫痪，给病人、家人和社会造成了的严重的身体和经济负担。例如在美国，由脊柱损伤引起直接治疗费用高达400亿美元。针对神经性运动功能障碍一种较有潜力的治疗方法是通过控制和获取脑部的神经信号，经过信号的模式识别后控制外端的假体或者肢体以人为的方式建立起大脑和周围肢体的控制通道。目前美国研究机构研发出一种用于人体试验的基于硅材料的大脑植入式人工电极，获取的中枢神经信号可以对人工假肢进行控制。世界范围内对神经科学和人机结合技术的重视程度与日俱增。在中国，中国自然科学基金委员会和国家科技部近年来投资了数亿元经费用于脑神经科学和人工假体的研究。2016年，美国投资45亿美元启动大脑计划(Brain Initiative)项目用于神经科学和脑科学领域的研究，旨在集结各方智慧，更好地理解人脑的工作原理以及人脑出现故障时如何解决。在欧洲，2013年欧盟投资100亿欧元用于今后十年的脑科学计划，希望更有效的更多的揭秘人脑功能。

微机电系统(Microelectromechanical Systems，MEMS)制作的神经电极器件可用于神经信号的获取，其优点在于尺寸小、多信号通道，另外可以和信号处理电路实现高度集成。目前基于MEMS技术制作的硅基神经电极公司包括美国的NeuroNexus和BlackrockMicrosystems公司。NeuroNexus公司基于硅平面加工工艺制作出各种长度的硅衬底二维神经电极。Blackrock Microsystems公司采用体硅和深刻蚀技术，制作出100个神经电极阵列，每一个神经探针上有一个信号采集通道。这些神经电极制作出针的形状，尺寸范围在10-100μm宽，0.5-10mm长，厚度小于100μm。这些神经电极探针有足够的机械强度插入大脑组织。在电极植入后，由于体内自身的呼吸和心跳的影响，植入电极和脑组织之间会产生微米级别的移动。同时由于电极植入后固定在头骨下方，头骨和大脑组织的微小移动也会导致植入电极的移动。硅的杨氏模量大约为170GPa，而脑组织的杨氏模量约为3KPa。当硅电极和大脑产生相对移动后，两者间的机械硬度的巨大差异会产生水平切力进而使脑组织受到伤害进而引起炎症反应。这种组织的炎症反应会产生胶质瘢痕，胶质瘢痕附着在电极上会增大电极的电学阻抗使获取的信号减弱。近年来，生物兼容性聚合物材料如聚酰亚胺、聚对二甲苯和聚二甲基硅氧烷(PDMS)被应用于柔性神经电极制作。这些物质的机械强度与脑相当，可以变形以与脑紧密接触，从而避免了因电极微小移动带来的脑损伤，电极的信噪比也因此而增加，有利于电极的长期植入并增强了稳定性。可是，由于柔性聚合物神经电极无法直接插入大脑组织，柔性电极常被用于周边神经电极使用。目前有的研究小组开发出辅助的方式使柔性电极植入大脑，如：柔性电极附着可溶性糖类增加其植入强度，金属针辅助柔性电极插入大脑后金属针去除等。但是都有一些技术方面的问题，存在如生物兼容性和长期稳定性的问题，阻碍了这些方法的应用化。

发明内容