一种具有长期生物相容性维持的神经微电极及其制备方法

本发明属于脑机接口的柔性生物传感器制备；具体涉及一种用于神经记录、具有长期生物相容性维持的神经微电极及其微加工制备方法。

背景技术：

1、神经电极将细胞外离子电流转换为电信号，成为连接脑机的重要枢纽，是神经活动记录中应用最广泛的工具之一。在过去的几十年中，神经电极伴随不同材料和结构的研究，其生理信号记录得到空前提高，并展现出巨大的治疗潜力。一方面，mems加工技术的快速发展使得神经电极更加微型化，电极点记录的空间分辨率也得到极大提升；另一方面，神经电极在动物体内的植入实验取得了突破性进展，neuralink通过电极植入和刺激实现了猴子在屏幕上进行“意念打字”。然而，神经电极在体内植入的排异反应和长期稳定性成为亟待解决的一项重要问题。刚性电极与神经组织之间的机械不匹配导致的炎症，植入式电极可能在几周或几个月内被胶质瘢痕包覆从而失去记录能力，缺乏长期可靠性。为了解决这些问题，一些新型的神经电极结构被提出用来提高电极在体内植入的长期稳定性。

2、经过对现有技术文献的检索，长期生物相容性微电极主要包括使用细胞外基质涂层技术、蚕丝蛋白修饰技术以及防污染涂层修饰技术等。美国佐治亚理工大学的markg.allen教授等人在论文“extracellular matrix-based intracorticalmicroelectrodes:toward amicrofabricated neural interface based on naturalmaterials”中采用细胞外基质包裹神经电极，这种设计最大限度减少了非天然产物进入大脑，与无机的方法相比减少了电极产生的炎症反应。塔夫茨大学的d.l.kaplan教授等人在论文“silk as a multifunctional biomaterial substrate for reduced glialscarring around brain-penetrating electrodes”中采用蚕丝蛋白应用于柔性电极表面，通过蚕丝蛋白的水合作用实现电极从刚性到柔性的转变，降低了电极与生物组织间的机械不匹配。中国科学院国家纳米科技中心的方英课题组在论文“anti-fouling peptidefunctionalization ofultraflexible neural probes for long-term neural activityrecordings in the brain”中通过两性离子肽修饰大大提高了电极对蛋白质的抗污染性能，提供了与脑组织间稳定的物理和化学界面，并能进行长期的神经记录。然而，以上几种电极仍然存在着一些不足，比如记录点位较少从而使得空间分辨率较低，柔性电极植入的部分宽度较大导致产生更多的创伤区域，提高了植入产生的炎症反应等。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术中的缺陷，使用柔性聚合物parylene(聚对二甲苯)和pi(聚酰亚胺)作为记录电极衬底，并结合多肽实现神经记录和长期生物相容性维持；通过柔性聚合物与多肽的结合，一方面可以使得记录电极拥有良好的柔性，从而减轻机械失配引起的脑组织损伤，另一方面也可以确保电极在植入后的体内稳定性，从而提高电极能在体内正常工作的时间。

2、一种具有长期生物相容性维持的神经微电极，以记录层为主体，并分为电极基体以及一根或多根探针。探针上包裹有生物相容性涂层。

3、所述的记录层包括导电层和绝缘层。导电层处于绝缘层内部。所述的导电层包括位于探针尖端的记录电极点、信号线、位于电极基体上的记录电极焊盘。不同的记录电极点分别通过独立的信号线连接至对应的记录电极焊盘

4、所述的记录电极点和记录电极焊盘均通过绝缘层上的窗口暴露出来。所有记录电极点上均设置有减小电极阻抗的电化学修饰层；电化学修饰层设置在绝缘层上的窗口内，并处于生物相容性涂层的内侧。

5、作为优选，所述的电化学修饰层包括层叠设置的纳米金属层和导电聚合物层。纳米金属层与记录电极点贴合。导电聚合物层位于纳米金属层远离记录电极点的一侧。

6、作为优选，所述纳米金属层的厚度为0.5μm-5μm，材质为pt-black；导电聚合物层的厚度为0.5μm-5μm，材质为pedot:pss。

7、作为优选，所述生物相容性涂层的厚度为0.5μm-5μm，材质为多肽。

8、作为优选，绝缘层分为上绝缘层和下绝缘层。导电层设置在上绝缘层与下绝缘层之间。

9、作为优选，所述绝缘层的材料为parylene-c或聚酰亚胺。

10、作为优选，所述的导电层采用cr/au双层金属。

11、该具有长期生物相容性维持的神经微电极的制备方法，包括以下步骤：

12、步骤一、使用parylene-c或聚酰亚胺作为绝缘层，制备记录层。

13、步骤二、使用acf导电胶实现记录电极焊盘和软排线的热压键合，使用电化学工作站对电极点表面进行电镀，形成电化学修饰层。

14、步骤三、使用pvd镀膜在电极的探针表面沉积多肽，形成生物相容性涂层。

15、作为优选，步骤一的具体过程如下：

16、步骤1-1.使用高真空热蒸发镀膜机在衬底上沉积一层parylene-c作为下绝缘层。

17、步骤1-2.在下绝缘层上沉积金属作为导电层，导电层的金属为cr/au。

18、步骤1-3.在导电层上涂覆正性光刻胶，并使用平面光刻技术将光刻胶图形化。

19、步骤1-4.使用湿法刻蚀先后将导电层内的au层和cr层图形化，形成相互独立的多组记录电极点、信号线和记录电极焊盘。

20、步骤1-5.使用高真空热蒸发镀膜机在图形化后的导电层上沉积一层parylene-c作为柔性神经微电极的上绝缘层。

21、步骤1-6.在上绝缘层上沉积一层cr作为反应离子刻蚀的硬掩膜。

22、步骤1-7.在硬掩膜上涂覆正性光刻胶，并使用平面光刻技术将光刻胶图形化。

23、步骤1-8.使用湿法刻蚀将硬掩膜图形化。

24、步骤1-9.通过反应离子刻蚀图形化上绝缘层。使用湿法刻蚀将硬掩膜去除，形成暴露出电极点和电极焊盘的窗口

25、步骤1-10.激光切割出各个电极的轮廓。

26、作为优选，步骤一的具体过程如下：

27、步骤1-1.在硅片衬底的抛光面上沉积一层金属作为牺牲层。

28、步骤1-2.在牺牲层上旋涂一层聚酰亚胺作为微电极的下绝缘层。

29、步骤1-3.在下绝缘层上沉积一层金属作为导电层，导电层金属为cr/au。

30、步骤1-4.在导电层上涂覆正性光刻胶，并使用平面光刻技术将光刻胶图形化。

31、步骤1-5.使用湿法刻蚀先后将导电层内的au层和cr层图形化。

32、步骤1-6.在图形化后的金属层正面旋涂一层聚酰亚胺作为上绝缘层。

33、步骤1-7.在上绝缘层上沉积一层cr作为反应离子刻蚀的硬掩膜。

34、步骤1-8.在硬掩膜上涂覆正性光刻胶，并使用平面光刻技术将光刻胶图形化。

35、步骤1-9.使用湿法刻蚀将硬掩膜图形化。

36、步骤1-10.通过反应离子刻蚀图形化上绝缘层。使用湿法刻蚀将硬掩膜去除，形成暴露出电极点和电极焊盘的窗口。

37、步骤1-11.激光切割出各个电极的轮廓。

38、作为优选，步骤二的具体过程如下：

39、步骤2-1.在记录电极焊盘表面贴附一层acf导电胶并进行预压。

40、步骤2-2.将软排线贴附在acf导电胶上并进行本压。

41、步骤2-3.将探针的记录电极点浸没在氯铂酸溶液中，使用电化学工作站连接软排线，对记录电极点进行电镀，形成纳米金属(pt-black)层。

42、步骤2-4.在记录电极点上的纳米金属(pt-black)层的表面沉积导电聚合物(pedot:pss)层。

43、作为优选，步骤三的具体过程如下：

44、步骤3-1.将多肽(具体为h-phe-phe-oh，两分子苯丙氨酸)和步骤二所得电极放入pvd镀膜机。

45、步骤3-2.降低pvd镀膜机的腔室内气压至预定值。

46、步骤3-3.加热蒸发多肽，消除多肽与电极之间的隔断，使得多肽在电极的探针表面形成涂层。

47、步骤3-4.释放电极。

48、本发明具有的有益效果是：

49、1、本发明在探针表面形成多肽的生物相容性涂层，有助于延缓或避免电极失效；同时，本发明通过在电极点表面进行电化学修饰，减小了电极的阻抗，克服了生物相容性涂层带来的阻抗过大问题。

50、2、本发明制备的h-phe-phe-oh涂层(多肽)表面形貌粗糙，具有良好的抗菌特性，使微电极获得长期生物相容性。

51、3、本发明采用mems兼容的pvd(物理气相沉积)技术实现生物相容性多肽涂层的制备，该方法可以大大提高电极的制备效率和一致性。

52、4、本发明采用pvd制备的多肽涂层h-phe-phe-oh具有特殊的多孔纳米纤维表面结构，这使其可以完全覆盖整个电极点和探针表面而不会严重影响其阻抗和记录性能。