[发明专利]一种集成微流控、微电极阵列的神经元非门逻辑功能芯片及其制备方法

说明书

本发明公开了一种集成微流控、微电极阵列的神经元非门逻辑功能芯片及其制备方法，涉及传感器技术与电刺激调控技术。该芯片系统由两层子芯片构成，二者均由MEMS工艺加工制备。第一层子芯片为用于神经元电生理调控检测的微电极阵列芯片，包括检测微电极阵列、刺激电极等元件；第二层子芯片为用于神经元定向培养的微流控芯片，包括细胞培养槽、微流道以及微沟道。该芯片以微沟道实现神经元之间定向互连，并通过刺激电极训练输入端神经元使其放电变化，从而实现微沟道输入端神经元对输出端神经元放电频率的控制，进而在神经元层面上构建一对一有一定逻辑功能的控制单元。本发明芯片功能集成化，具备定向培养神经元的功能和同时空调控检测的能力。

技术领域

本发明涉及生物传感器的微机电系统(MEMS)微加工领域、电刺激调控领域和神经细胞区室化培养领域，是一种集成微流控、微电极阵列的神经元非门逻辑功能芯片及其制备方法。

背景技术

人类具有世界上最复杂、最精密的物质结构——具有思维能力的大脑。通过大脑的日常运作，让人类能够很轻易的完成现在人工智能难以完成的高级且复杂的工作。揭示大脑高级功能的奥秘不仅是自然科学的顶尖谜题之一，更是当前神经科学面临的重大挑战，也是突破当前人工智能发展的重大阻碍。

脑的所有高级功能的实现都离不开信息的传递、处理和存储。脑具有感知、意识、行为、记忆以及学习等多种高级功能。而脑之所以有如此复杂的功能是因为脑内有数以千亿计的神经，这些神经元通过突触连接形成错综复杂的神经网络，不同神经网络相互交错相互连接，进而形成处理能力比现代计算机还强的人体大脑。不论是简单的膝跳反应还是人类复杂的记忆能力，都与大脑中的不同脑区的信息传递息息相关，而大脑中神经网络的信息传导是通过神经细胞脉冲放电和神经递质传递完成的。

微电极阵列(MEA)作为神经网络与电子系统之间的接口工具，有助于科学家们深入了解神经网络的动力学以及对生物物质的反应，进而为科学家们揭示神经网络的功能提供可能。而微流控技术因为其精准化控制、微尺度操控等特点被广泛用于定制化体外培养特定的神经网络。通过结合微电极阵列技术与微流控技术使得体外开发神经网络的高级功能成为了可能。

许多研究表明，外部电刺激能够激发神经元网络的学习、记忆等功能。通过外部电刺激能够更好地在体外开发神经元网络的功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种集成微流控、微电极阵列的神经元非门逻辑功能芯片及其制备方法。该芯片通过集成了微电极阵列与微流控芯片实现两个神经元网络在设计的微沟道中形成多组一对一的神经元互连。使用电刺激技术对微沟道输入端进行电刺激，影响输入端神经元的放电情况，由于两端神经元在微沟道中产生突触连接，输入端神经元的信号会传递到输出端神经元，输出端的神经元随着传递信息的不同产生不同的相应。因此，我们在神经元层面上构建一对一有一定逻辑功能的控制单元，通过电刺激参数的改变和培养细胞类型的不同，我们能在体外使得该控制的单元具有类似电子非门逻辑器件的功能。该发明使得体外开发神经元网络高级功能成为可能，从而促进大脑高级功能体外开发等相关研究工作。

为实现这一目的，本发明采用如下技术方案：

一种集成微流控、微电极阵列的神经元非门逻辑功能芯片，所述芯片包括两层，第一层微电极阵列芯片包括：绝缘基底、检测电极阵列、刺激电极、对电极、电极引线、触点及表面绝缘层；第二层微流控芯片包括：细胞培养槽、微流道以及一组用于控制神经元定向生长的微沟道。所述微电极阵列芯片与微流控芯片通过离子体键合进行封装。细胞培养槽的数量为4个。

所述绝缘基底是整个微电极阵列芯片的载体；检测电极阵列分三组，分别位于微沟道的输入端、输出端和中央；刺激电极位于输入端检测电极的周围；并且检测电极阵列周围设有对电极；对电极、刺激电极与检测电极阵列均通过引线延伸并连接到绝缘基底外围的触点；所有引线表面均覆盖有绝缘层。微流控芯片中的细胞培养槽用于培养细胞；微流道连接细胞培养槽和微沟道；微沟道限制神经细胞的胞体通过并引导轴突定向生长。微电极阵列芯片与微流控芯片通过键合的方式固定封装，形成一个能引导神经细胞定向生长并实现一定逻辑功能的新型芯片。