一种基于含流体通道弹性印章的可延展柔性电极转移方法

本发明属于生物医学工程技术领域，具体涉及一种可延展柔性电极转移方法。

背景技术：

微机电系统(mems)技术和柔性电子技术的发展与融合，为高精度脑科学研究工具的开发提供了重要保障。其中，皮层脑电极作为极为重要的一类，为改善电极与沟回状皮层表面的贴合程度，常使用柔性聚合物衬底的条状电极或格栅状电极。然而，由于高频血管和低频呼吸脉动组合构成的微动，以及由身体运动引起的大脑运动，对于电极的顺应性提出了更高的要求。

柔性聚合物衬底电极的机械加工性能好，目前是实现高精度和高密度电极的主流方案。为了进一步提高柔性聚合物衬底电极随脑组织微动的顺应性，可通过离散化和可延展结构设计实现。然而，离散化和可延展结构容易造成丝状或条带状独立电极之间相对位置错乱，尤其在植入过程中增大了操作难度。因此，开发可延展柔性皮层脑电极的高精度转移方法，保证植入位置精度具有重要意义。

现有技术中，美国伊利诺伊香槟分校kimdh,viventij等人在naturematerials,2010,9(6):511-517撰文“dissolvablefilmsofsilkfibroinforultrathinconformalbio-integratedelectronics”，将厚度仅2.5微米的网状聚酰亚胺衬底柔性皮层脑电极结合在流延干燥制备的丝素蛋白膜上，整体转移到猫的大脑皮层表面，再将丝素蛋白膜溶解，从而使电极共形贴附在皮层表面。丝素蛋白作为临时硬化层，可以使电极在转移过程中处于平整状态，但要保证精准转移到目标皮层坐标，仍然存在一定难度。

中国南方科技大学huangj,wangl等人在advancedfunctionalmaterials,2020,30(23):2001518撰文“tuningtherigidityofsilkfibroinforthetransferofhighlystretchableelectronics”，采用了一种刚度可变、钙离子掺杂的丝素蛋白材料作为印章，在低湿度条件下(相对湿度在33％-49％范围)，印章材料的弹性模量保持在100mpa至1.84gpa，进行柔性电子材料的转移；剥离后再把丝素蛋白置于高湿度的环境中，使它发生软化，其弹性模量降为0.1mpa至2mpa，和皮肤相当，可直接用作表皮电极。然而该方法通过丝素蛋白软化并将其作为可拉伸衬底，会对图形化导电材料本身形成约束，不利于离散图形化导电材料与大脑皮层沟回保形接触，同时也存在转移精度的问题。

cn109645991a公开了一种智能颅内皮质电极及其精确采集皮质脑电的方法，在“梳状”柔性基底的“梳背”处连接，在“梳齿”处分离，将电极点分布在平行的几条柔性基底上，采用直接转移贴附，再通过智能电极接触状态检测器实时检测电极放置状态，提示医生发现未放置好的电极以便及时调整，说明该电极转移位置精度不高，同时梳状电极只有柔性，而不具备延展能力。

cn110251125a公开了一种柔性可拉伸神经电极及其制备方法和应用，包括柔性高分子材料、嵌于所述柔性高分子材料的液态金属电极以及绝缘材料，具有拉伸性能，但是柔性高分子衬底仍然是一整片，电极点之间受到衬底约束，不利于保证整体与大脑皮层沟回保形接触，同时没有提及转移电极至神经组织的方法和精度问题。

cn110604566a公开了一种柔性可变形降解脑检测治疗装置、系统及制造、使用方法，包括蛇形的介电层和功能层以及整片的形状记忆聚合物衬底，同样具有延展性，但是整片的形状记忆聚合物衬底仍然会对电极点之间造成约束，不利于保形贴附，同时也没有提及电极转移到大脑皮层的详细方法。

从以上结果可以看出，现有研究大多集中在柔性电极材料和结构上，缺少高精度转移柔性电极并贴附目标脑区的方法，传统仅凭借手工方式贴附，难以保证位置精度。尤其对于离散化可延展柔性电极，在操作过程中极容易发生丝状或条带状电极位置错乱，难以保证电极点保持在相对固定的位置。

因此，开发出一种电极点离散化的可延展柔性电极的高精度转移方法，对于准确获取目标脑区坐标的稳定皮层脑电信号，具有非常重要的实用价值和创新意义，可有效解决目前电极点离散化柔性电极贴附操作难度大，电极点相对位置不易控制的问题。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于含流体通道弹性印章的可延展柔性电极转移方法，首先将弹性印章压覆在可延展柔性电极上方，并向流体通道内注入水溶性快速降解材料溶液；然后加热烘干溶液，可延展柔性电极被弹性印章从玻璃基底上粘附抬起；接下来利用微动平台将底面粘附有可延展柔性电极的弹性印章转移至目标脑区上方，并向流体通道内注入人工脑脊液，使降解材料逐步溶解；最后待降解材料完全溶解，弹性印章与可延展柔性电极分离，使可延展柔性电极稳定贴附在大脑皮层表面。该方法对于准确获取目标脑区坐标的稳定皮层脑电信号，具有非常重要的实用价值和创新意义，可有效解决目前电极点离散化可延展柔性电极贴附操作难度大，电极点相对位置不易控制的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤1：将含流体通道弹性印章压覆在可延展柔性电极上方，并向含流体通道弹性印章的流体通道内注入水溶性快速降解材料溶液，水溶性快速降解材料溶液透过含流体通道弹性印章底面的圆孔阵列与可延展柔性电极接触；

步骤2：将含流体通道弹性印章和可延展柔性电极及玻璃基底放入烘箱内加热，水溶性快速降解材料溶液硬化；将含流体通道弹性印章和可延展柔性电极及玻璃基底取出烘箱后，可延展柔性电极通过硬化的水溶性快速降解材料溶液粘附在含流体通道弹性印章底面，可延展柔性电极与玻璃基底分离；

步骤3：利用微动平台将底面粘附有可延展柔性电极的含流体通道弹性印章移动至目标脑区上方，将含流体通道弹性印章向下移动与大脑皮层弹性接触，并向含流体通道弹性印章的流体通道内注入人工脑脊液，使硬化的水溶性快速降解材料溶液逐步溶解；

步骤4：待硬化的水溶性快速降解材料溶液完全溶解，抬起含流体通道弹性印章，含流体通道弹性印章与可延展柔性电极分离，使可延展柔性电极贴附在大脑皮层表面。

优选地，所述含流体通道弹性印章采用高度透明弹性体材料制作，具体为聚二甲基硅氧烷或聚氨酯。

优选地，所述含流体通道弹性印章的尺寸为3mm×3mm或20mm×20mm。

优选地，所述水溶性快速降解材料为海藻酸钠、聚乙二醇、聚乙烯醇、蔗糖中的一种。

优选地，所述可延展柔性电极包含聚合物衬底层、导电功能层和聚合物封装层，导电功能层被封装在聚合物衬底层和聚合物封装层中间；可延展柔性电极靠近电极点与大脑直接接触作用的区域，采用离散式蛇形结构。

优选地，所述聚合物衬底层和聚合物封装层的材料为聚酰亚胺，导电功能层的材料为金或铂。

优选地，所述聚合物衬底层和聚合物封装层的材料为聚对二甲苯，导电功能层的材料为聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐和单壁碳纳米管复合的透明导电材料。

优选地，所述步骤2中在烘箱中加热的温度为70～80摄氏度，加热时间为1～4小时。

优选地，所述含流体通道弹性印章分为上下两个部分，上部由中空圆柱形手柄和长方形内凹腔体组成，中空圆柱形手柄的中空部分为流体通道；下部为能够嵌入上部长方形内凹腔体的长方体，长方体一面开有凹槽，另一面开有圆孔阵列，圆孔为通孔；向流体通道注入液体，液体沿着流体通道流到长方形内凹腔体，再通过圆孔阵列流出含流体通道弹性印章。

一种含流体通道弹性印章的加工方法，包括以下步骤：

步骤1：含流体通道弹性印章的上部使用3d打印树脂材料快速成形模具进行加工，从模具上端环形入口处用注射器将液态pdms注入腔体，在烘箱内60摄氏度加热2小时，待pdms未完全固化，从模具中取出含流体通道弹性印章的上部；

步骤2：含流体通道弹性印章的下部使用3d打印树脂材料快速成形带有圆柱体阵列的长方形凹槽模具进行加工，将液态pdms倒入模具，使液面不高于圆柱体阵列，在箱内60摄氏度加热2小时，待pdms未完全固化，从模具中取出含流体通道弹性印章的下部；

步骤3：将含流体通道弹性印章的上部和下部的pdms表面用氧等离子体进行活化处理，随后立即对准键合，并放入80摄氏度烘箱中加热2小时，实现完全固化，保证两部分之间牢固键合。

本发明的有益效果如下：

本发明提出基于流体通道弹性印章的可延展柔性电极转移方法，通过高度透明印章可以清晰观察到电极位置，再利用微动平台操纵印章连通电极一起精确移动至目标脑区上方。同时，为了提高转移过程可靠性，利用硬化的水溶性快速降解材料使电极粘附在印章底面，再通过流体通道注入的脑脊液使其快速软化并溶解，从而使电极快速脱离印章，并在印章压力作用下，稳定粘附在目标皮层区域，有效解决了目前可延展柔性电极位置不准确导致反复贴附和揭开重定位的问题。

附图说明

图1为本发明基于含流体通道弹性印章的可延展柔性电极转移方法示意图。

图2为本发明含流体通道弹性印章的加工方法示意图。

图3为本发明实施例的含流体通道弹性印章和可延展柔性电极分层结构示意图。

图4为本发明实施例的含流体通道弹性印章和可延展柔性电极相对位置示意图。

图中：1-含流体通道弹性印章，2-可延展柔性电极，3-玻璃基底，4-水溶性快速降解材料溶液，5-人工脑脊液，6-大脑皮层，7-弹性印章上部，8-弹性印章下部，9-聚合物衬底层，10-导电功能层，11-聚合物封装层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，种基于含流体通道弹性印章的可延展柔性电极转移方法，包括以下步骤：

步骤1：将含流体通道弹性印章1压覆在可延展柔性电极2上方，并向含流体通道弹性印章1的流体通道内注入水溶性快速降解材料溶液4，水溶性快速降解材料溶液4透过含流体通道弹性印章1底面的圆孔阵列与可延展柔性电极2接触；

步骤2：将含流体通道弹性印章1和可延展柔性电极2及玻璃基底3放入烘箱内加热，水溶性快速降解材料溶液4硬化；将含流体通道弹性印章1和可延展柔性电极2及玻璃基底4取出烘箱后，可延展柔性电极2通过硬化的水溶性快速降解材料溶液4粘附在含流体通道弹性印章1底面，可延展柔性电极2与玻璃基底3分离；

步骤3：利用微动平台将底面粘附有可延展柔性电极2的含流体通道弹性印章1移动至目标脑区上方，将含流体通道弹性印章1向下移动与大脑皮层6弹性接触，并向含流体通道弹性印章1的流体通道内注入人工脑脊液5，使硬化的水溶性快速降解材料溶液4逐步溶解；

步骤4：待硬化的水溶性快速降解材料溶液4完全溶解，抬起含流体通道弹性印章1，含流体通道弹性印章1与可延展柔性电极2分离，使可延展柔性电极2贴附在大脑皮层6表面。

优选地，所述含流体通道弹性印章1采用高度透明弹性体材料制作，具体为聚二甲基硅氧烷或聚氨酯。

优选地，所述含流体通道弹性印章1的尺寸为3mm×3mm或20mm×20mm。

优选地，所述水溶性快速降解材料4为海藻酸钠、聚乙二醇、聚乙烯醇、蔗糖中的一种。

优选地，所述可延展柔性电极2包含聚合物衬底层9、导电功能层10和聚合物封装层11，导电功能层10被封装在聚合物衬底层9和聚合物封装层11中间；可延展柔性电极2靠近电极点与大脑直接接触作用的区域，采用离散式蛇形结构。

优选地，所述聚合物衬底层9和聚合物封装层11的材料为聚酰亚胺，导电功能层10的材料为金或铂。

优选地，所述聚合物衬底层9和聚合物封装层11的材料为聚对二甲苯，导电功能层10的材料为聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐和单壁碳纳米管复合的透明导电材料。

优选地，所述步骤2中在烘箱中加热的温度为70～80摄氏度，加热时间为1～4小时。

优选地，所述含流体通道弹性印章1分为上下两个部分，上部7由中空圆柱形手柄和长方形内凹腔体组成，中空圆柱形手柄的中空部分为流体通道；下部8为能够嵌入上部长方形内凹腔体的长方体，长方体一面开有凹槽，另一面开有圆孔阵列，圆孔为通孔；向流体通道注入液体，液体沿着流体通道流到长方形内凹腔体，再通过圆孔阵列流出含流体通道弹性印章1。

如图2所示，一种含流体通道弹性印章的加工方法，包括以下步骤：

步骤1：含流体通道弹性印章1的上部7使用3d打印树脂材料快速成形模具进行加工，从模具上端环形入口处用注射器将液态pdms注入腔体，在烘箱内60摄氏度加热2小时，待pdms未完全固化，从模具中取出含流体通道弹性印章1的上部7；

步骤2：含流体通道弹性印章1的下部8使用3d打印树脂材料快速成形带有圆柱体阵列的长方形凹槽模具进行加工；将液态pdms倒入模具，使液面不高于圆柱体阵列，在箱内60摄氏度加热2小时，待pdms未完全固化，从模具中取出含流体通道弹性印章1的下部8；

步骤3：将含流体通道弹性印章1的上部7和下部8的pdms表面用氧等离子体进行活化处理，随后立即对准键合，并放入80摄氏度烘箱中加热2小时，实现完全固化，保证两部分之间牢固键合。

具体实施例：

基于流体通道弹性印章的可延展柔性电极转移过程，主要分为以下四步：

第一步，将含流体通道弹性印章1压覆在可延展柔性电极2上方，可延展柔性电极2暴露电极点向下平铺在玻璃基底3表面，向流体通道内注入水溶性快速降解材料溶液4，溶液透过含流体通道弹性印章1底部阵列式小圆孔与可延展柔性电极2接触；

这里水溶性快速降解材料溶液4选用聚乙二醇(peg)溶液，注射量与含流体通道弹性印章1尺寸大小相关，以能够流经阵列式小圆孔均匀与可延展柔性电极2接触为标准；

第二步，将整体放入烘箱内70～80摄氏度加热1～4小时，烘干与可延展柔性电极2接触的peg溶液以及含流体通道弹性印章1的流体通道内的peg溶液，形成硬化层，可延展柔性电极2被含流体通道弹性印章1从玻璃基底3表面平整地粘附并抬起；

第三步，通过体视显微镜观察，将含流体通道弹性印章1的上端圆柱部分夹持固定在包括xyz轴移动、倾斜和转动在内的微动平台上，将底面粘附有可延展柔性电极2的含流体通道弹性印章1转移至目标大脑皮层6上方，向下移动与脑组织轻微弹性接触，并向流体通道内注入人工脑脊液5，使硬化的peg逐步溶解；

第四步，待硬化的peg完全溶解，轻轻抬起含流体通道弹性印章1，与可延展柔性电极2分离，使可延展柔性电极2稳定贴附在大脑皮层6表面，至此完成转移。

参照图2所示，含流体通道弹性印章1分为上下两部分结构，本实施例中，上下两部分结构都采用pdms，加工流程如下：

首先，含流体通道弹性印章1的上部分使用3d打印树脂材料快速成形模具，从模具上端环形入口处用注射器将液态pdms注入腔体，在烘箱内60摄氏度加热2小时，待pdms未完全固化，从模具中取出含流体通道弹性印章1的上部分。从结构上看，上部分主要包括圆柱孔通道和长方形内凹腔体。其次，使用3d打印树脂材料快速成形带有4×4阵列圆柱的长方形凹槽模具，将液态pdms倒入模具，保证液面不高于阵列圆柱体，在箱内60摄氏度加热2小时，待pdms未完全固化，从模具中取出含流体通道弹性印章1的下部分。最后，将两部分pdms表面用氧等离子体进行活化处理，随后立即对准键合，并放入80摄氏度烘箱中加热2小时，实现完全固化，保证两部分之间牢固键合。

参照图3所示，为含流体通道弹性印章1和可延展柔性电极2分层结构和相对位置，其中，含流体通道弹性印章1包括弹性印章上部分7和弹性印章下部分8，可延展柔性电极2包括聚合物衬底层9、导电功能层10和聚合物封装层11。本实施例中，聚合物衬底层9和聚合物封装层11的材料为聚酰亚胺(pi)，导电功能层10的材料为金或铂，可延展柔性电极2基于微纳加工工艺制备，可满足对电极精度的要求。

参照图4所示，为集成状态下含流体通道弹性印章1和可延展柔性电极2的相对位置示意图，视角为斜视向上，可延展柔性电极2靠近电极点的与大脑直接接触作用的区域，采用离散式蛇形结构以提高局部延展能力；同时，可通过针管向含流体通道弹性印章1的圆柱孔内按需注射人工脑脊液5，使得可延展柔性电极2接触目标大脑皮层6时，快速溶解peg。

在另一具体实施例中，对使用材料进行替换，以达到相同的转移效果。可延展柔性电极2中，替换聚合物衬底层9和聚合物封装层11材料为透明的、生物相容性良好的聚对二甲苯(parylene),导电功能层10替换为导电聚合物聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(pedot:pss)和单壁碳纳米管(swcnts)复合的透明导电材料，以保证可延展柔性电极2的透明性，导电性，延展性和核磁共振电磁兼容性，以便于转移至大脑皮层6以后，能够更加清晰地观测和成像电极下方的脑血管等结构，并且植入后可以在核磁共振状态下同步记录脑电信号，而不会影响核磁共振成像质量。含流体通道弹性印章1材料可以替换为具有键合功能的透明热塑性聚氨酯(pu)，水溶性快速降解材料可以替换为聚乙烯醇(pva)，同样具有较高的溶解速率，对快速转移将起到积极作用。具体材料可根据实际需要进行替换选用。

在另一具体实施例中，根据目标脑区大小匹配不同尺寸和电极点数量的可延展柔性电极2，并同步设计匹配的含流体通道弹性印章1的尺寸，如针对小鼠大脑皮层，含流体通道弹性印章1的尺寸可以设计为3mm×3mm；而针对非人灵长类动物的大脑皮层，含流体通道弹性印章1的尺寸可以设计为20mm×20mm，甚至更大。同时，可以调节弹性印章下部分8的阵列式小圆孔数量和直径大小，以便于调控溶液透过小圆孔的速率、流量，以及与可延展柔性电极2的接触效果。