一种用于人体电信号测量的柔性微电极阵列及制作方法与流程

本发明涉及生物医学工程技术领域，具体地说是涉及一种用于人体电信号测量的柔性微电极阵列及制作方法。

背景技术：

生理电信号是以从细胞中产生的电流或电压的形式、通过收集分析附着在人体的电极所检测到的电信号中的改变而得到的信号。常见的生理电信号，包括脑电、心电、肌电、电阻抗等，因其能直接反应人体的健康状况和身体水平而在临床诊断中占有重要地位。

目前使用的比较新兴的电信号测量方式主要是采用微电极阵列通过微电极阵列上的微针电极阵列进行微针电极测量人体电信号。

微针电极测量人体电信号兼具了防止运动伪迹、贴合人体皮肤、无痛刺入皮肤表面以及可穿戴的优点。微针电极能够很好地贴合人体皮肤表面，在测量时能够防止运动伪迹对人体电信号测量的干扰。同时，微针电极的有效长度刚好能够刺破角质层进入细胞间质，形成微米级的信号传输通道，提高了生理电信号的传输效率，又不会产生由于刺入皮肤表面而引起的疼痛感。此外，微针电极直径尺寸在微米甚至纳米级，留下的创口十分微小且会很快恢复原状，大大降低了伤口的感染几率。

虽然微针电极测量人体电信号技术优势显著，但是微电极阵列的制作却是一大难题。目前微电极阵列以硅基基底制作，由于硅材料的机械强度不高、易断裂、生物相容性不明等缺陷，并不具备推广的条件与潜力。树脂基底虽然能够克服了以上缺点，但由于技术上的不成熟，加工成本高，在短时间内无法投入市场进行大规模生产。而且，这两种基底都不易贴合人体皮肤表面，容易造成脱落，不利于电信号的高效传输和实时监测。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种成本低、易制作的用于人体电信号测量的柔性微电极阵列制作方法，且该微电极阵列能贴合人体皮肤表面有利于电信号高效传输和实时监测。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于人体电信号测量的柔性微电极阵列的制作方法，包括：在柔性基底上制备导电涂层；在所述导电涂层上通过磁牵引技术形成微针电极阵列；固化所述微针电极阵列，再通过磁控溅射镀膜技术在所述微针电极阵列表面真空溅镀一层质地均匀的金属。

为使柔性基底具有足够的柔软性，更加贴合人体皮肤表面，选用柔软的固态物质制作柔性基底，用于承载微电极阵列，其材质一般选用环氧树脂、聚二甲基硅氧烷、橡胶、硅胶、涤纶与棉等柔性材料。

优选的，所述在柔性基底上制备导电涂层的步骤具体为：

通过丝网印刷技术使用导电浆料将绘制好的带有圆盘阵列的特定图案印刷在柔性基底上而形成导电涂层；

此时，所述导电涂层上通过磁牵引技术形成微针电极阵列的步骤具体为：

在所述圆盘阵列处通过磁牵引技术形成微针电极阵列。

优选的，为使微电极阵列防止运动伪影的干扰、易于穿戴，使测得的人体电信号可以不受正常活动的影响而进行实时检测，印刷在柔性基底上的所述特定图案还包括弯曲导线，且是每个圆盘都带有弯曲导线。

优选的，弯曲导线的长度为1mm，圆盘阵列中圆盘直径为1mm，圆盘阵列的圆盘直径为1mm的设置是根据实验测出的较佳孔径，孔径的大小会影响微针电极的长度和直径，且会影响孔膜上小孔的分布数目以致影响微针电极阵列的分布。圆盘阵列的数目是可以根据实际情况进行设计的，具体可以将圆盘阵列的长设为9mm，宽为9mm，圆盘阵列横向间距为2mm，纵向间距为2mm，且圆盘阵列为4×4阵列。

优选的，在所述圆盘阵列处通过磁牵引技术形成微针电极阵列的步骤具体为：

所述导电涂层放置于磁场发生装置中，在匀强磁场的作用下，蘸取磁流变体溶液于圆盘阵列处，通过磁牵引技术在所述圆盘阵列处形成微针电极阵列。

具体的，在这个步骤中，磁流变体溶液的配制按环氧树脂与铁粉颗粒重量比为4:1~1:1。由于环氧树脂与铁粉颗粒的比例影响微针电极阵列的微针电极长度与微针电极粗细，磁流变体溶液的成分的重量比的设置一方面是为了不造成材料的浪费，另一方面混合比例的不足会影响微针电极阵列的生成质量。铁粉颗粒的直径为45~55nm。

具体的，所述磁场发生装置是由两块永磁铁构成，永磁铁一经磁化就能产生恒定的磁性，会在磁铁中心产生比较均匀的磁场，其抗温性好，安全性高，耐腐蚀，体积小，机械强度大，寿命强，为使在匀强磁场作用下产生更为稳定的微针电极阵列，磁场强度为80~120mt，所述导电涂层在磁场中的时间长度为25~40min。

当微针电极阵列在圆盘阵列处形成后，需要固化所述微针电极阵列，优选的，可以在恒温干燥箱中对所述微针电极阵列进行固化，开启外界直流电源，调节温度和时间，温度不应超过80℃，对微针电极阵列进行干燥直至微针电极阵列完全固化。

优选的，当微针电极阵列固化之后，通过磁控溅射镀膜技术在所述微针电极阵列表面真空溅镀一层质地均匀的金属，所述金属为金。

本发明还提供一种采用上述制作方法制作出的用于人体电信号测量的柔性微电极阵列，包括：柔性基底；位于所述柔性基底上的导电涂层；位于所述导电涂层上的微针电极阵列；所述微针电极阵列表面镀有一层质地均匀的金属。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所提供的制作方法，在柔性基底上制备导电涂层；在所述导电涂层上通过磁牵引技术形成微针电极阵列；固化所述微针电极阵列，再通过磁控溅射镀膜技术在所述微针电极阵列表面真空溅镀一层质地均匀的金属，制备工艺简单，成本低，易于批量生产。制作好的微电极阵列具有更加贴合人体皮肤表面、无痛刺入表皮提取电信号、可穿戴的优点，有利于电信号高效传输和实时监测。

附图说明

图1为本发明实施例中带有弯曲导线和圆盘阵列的特定图案示意图；

图2为本发明实施例中微针电极阵列的形成过程示意图；

图3为本发明实施例中形成的微电极阵列的结构示意图。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参见图1至图3，本发明实施例提供了一种用于人体电信号测量的柔性微电极阵列的制作方法，包括：

制备导电涂层1。选用柔软的固态物质制作柔性基底，用于承载微电极阵列，其材质一般选用环氧树脂、聚二甲基硅氧烷、橡胶、硅胶、涤纶与棉等柔性材料，其制作工艺为相应材料的常用工艺，本实施例所选用的制备柔性基底2的材质为硅胶。

绘制由带有弯曲导线的圆盘组成的圆盘阵列的特定图案。该特定图案可参见图1，弯曲导线的长度为1mm，绘制弯曲导线的目的是为了易于穿戴和防止运动伪迹的干扰，使测得的人体电信号可以不受正常活动的影响而进行实时检测。圆盘阵列的圆盘直径为1mm，圆盘阵列的圆盘直径为1mm的设置是根据实验测出的较佳孔径，孔径的大小会影响微针电极的长度和直径，且会影响孔膜上小孔的分布数目以致影响微针电极阵列的分布。其圆盘阵列的数目是可以根据实际情况进行设计的，本实施例中绘制的圆盘阵列的长为9mm，宽为9mm，圆盘阵列的直径为1mm，阵列横向间距为2mm，纵向间距为2mm，4×4阵列。

通过丝网印刷技术使用导电浆料将带有圆盘阵列的特定图案印刷在柔性基底2上，形成导电涂层1。

制备磁流变体溶液。磁流变体溶液的成分为环氧树脂与铁粉颗粒。由于环氧树脂与铁粉颗粒的比例影响微针电极阵列的微针电极长度与微针电极粗细，磁流变体溶液的成分的重量比的设置一方面是为了不造成材料的浪费，另一方面混合比例的不足会影响微针电极阵列的生成质量。本实施例中磁流变体溶液按环氧树脂与铁粉颗粒重量比为2:1的比例进行配制。本实施例中，选用的铁粉颗粒的直径为50nm。为了使磁流变体溶液混合均匀，磁流变体溶液还需要置于超声清洗仪中振荡8~15min。本实施例中磁流变体溶液置于超声清洗仪中振荡10min。

制备微针电极阵列3。参见图2，将导电涂层1放置于磁场发生装置中，在匀强磁场的作用下，通过蘸取磁流变体溶液于圆盘阵列处，通过磁牵引技术形成微针电极阵列3。磁场发生装置是由两块永磁铁构成，永磁铁一经磁化就能产生恒定的磁性，会在磁铁中心产生比较均匀的磁场，其抗温性好，安全性高，耐腐蚀，体积小，机械强度大，寿命强。磁场强度为80~120mt，在磁场中的时间长度为25~40min。作为本发明上述用于人体电信号测量的柔性微电极阵列的制作方法的进一步改进，为使形成的微针电极阵列3的微针电极有效长度能够刺破皮肤表面的角质层，可以在磁场的作用下反复牵引，使形成的微针电极阵列3的微针电极高度为250μm~1mm。本实施例中选用的磁场强度为100mt，在磁场中的实际时间为30min。然后在恒温干燥箱中对微针电极阵列3进行固化，开启外界直流电源，调节温度和时间，其温度不应超过80℃，对其进行干燥直至微针电极阵列3完全固化。本实施例中选用的干燥箱的温度为60℃，时间为30min。

将固化之后的微针电极阵列3放入溅镀机中进行真空溅镀，使微针电极阵列3表面真空溅镀一层质地均匀的金属，最终制作完成带有柔性基底的导电微电极阵列（如图3所示）。本实施例中所选用的金属为金。

参见图3，采用本实施例制作方法制作出的微电极阵列包括：柔性基底2；位于所述柔性基底2上的导电涂层1；位于所述导电涂层1上的微针电极阵列3；所述微针电极阵列3表面镀有一层质地均匀的金属。

将本实施例制作出的微电极阵列应用到人体皮肤表面，在微针电极阵列刺破皮肤时，因其柔性基底比较柔软，可以实现与人体皮肤表面无缝接触，从而实现人体电信号高效传输和实时监测。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。