用于术中颅内脑电监测的温控黏性多通道水凝胶电极

本发明涉及生物医用器械，具体涉及一种用于术中颅内脑电监测的温控黏性多通道水凝胶电极。

背景技术：

1、开颅手术是神经外科领域中最重要的手术之一，用于治疗各种与颅内结构相关的疾病和损伤。该手术通过在头骨上制作骨瓣，暴露脑组织，并提供直接的视野和操作空间，以便进行病变及肿瘤的切除、血管修复、脑创伤修复等治疗操作。在开颅手术研究中，手术规划和导航技术成为重要研究方向。这些技术利用先进的影像学和计算机辅助系统，为医生提供详细的脑部结构图像和实时导航引导，以帮助确定手术入路、定位病变、避开重要功能区域等。此外，还有针对特定疾病和手术操作的新型器械和技术的研究，如微创手术技术、激光手术、神经监测和脑电图监测等。这些技术的发展旨在提高手术的精确性、安全性和患者的康复效果。尽管开颅手术在治疗颅内疾病方面取得了显著成就，但仍存在一些潜在的风险和并发症，如感染、出血、脑水肿、神经功能损伤等。因此，研究人员致力于开发新的预防和治疗策略，包括抗感染措施、出血控制技术、神经保护剂的应用等，以减少手术并发症的发生率和改善患者的病情发展。

2、在开颅手术中，颅内脑电监测可以提供有关脑功能和电生理状态的详细信息，成为反馈患者颅内健康状态的最关键信息指标之一。通过监测脑电活动，医生可以了解患者的神经活动模式、脑电节律、脑电异常等。这些信息对于定位重要功能区域、判断脑功能状态以及评估手术风险至关重要。例如，在脑肿瘤切除手术中，通过监测脑电活动，医生可以确定肿瘤周围的功能区域，并避免对这些区域的损伤，从而最大程度地保护患者的神经功能。另外颅内脑电监测可以帮助医生及时检测和处理手术中的并发症，如脑缺血、癫痫发作等，并采取相应的措施进行干预和治疗。例如，当监测到脑电异常模式时，医生可以立即调整手术策略、减少脑组织的损伤，并采取药物治疗措施来控制癫痫发作。颅内脑电监测还可以提供实时的反馈信息，帮助医生评估手术的效果和疗效。通过监测脑电活动的变化，医生可以判断手术创伤对脑功能的影响，并及时调整手术策略以达到最佳的治疗效果。这种实时的监测和反馈机制可以帮助医生在手术过程中进行决策，确保手术的准确性和安全性。

3、传统颅内脑电监测通过植入电极到患者的颅内进行脑电信号的采集和记录。这种监测方式在一定程度上提供了准确的脑电活动信息，但也存在一些缺陷和限制。通过植入电极进行颅内脑电监测是一个侵入性的过程，存在一定的风险，包括感染、出血和脑组织损伤等。此外，植入电极后患者需要进行长时间的住院观察和监测，增加了患者的负担和医疗成本。植入电极进行颅内脑电监测只能提供有限的监测范围和空间分辨率。由于植入电极的数量和位置的限制，传统监测方式只能监测到有限的脑区域，同时植入的电极位置不能随意移动。植入的电极往往需要连接外界数据收集模块且分析过程较为繁琐。同时植入电极的数量较少，采集到的数据有限，需要进行复杂的信号处理和分析来提取有用的信息。而且传统的植入电极往往为刚性、模量大、可拉伸性差，无法与大脑组织界面共形贴附，这将极大影响采集的脑电信号质量。植入电极的刺激作用，可能引起脑组织炎症反应。此外，由于电极的固定位置，无法跟随脑组织的移动和变形，导致监测结果的准确性受到限制，而且刚性的脑电电极在放入和取出的过程中容易造成大脑组织损伤。因此，急需开发一种具有优越粘附性、柔性且能与颅内脑组织共形贴附的表皮电极，同时在剥离过程中能够避免脑组织损伤。

技术实现思路

1、为解决背景技术中存在的问题，针对术中颅脑组织界面曲率大、模量低、易损伤的特性，本发明提供了一种用于术中颅内脑电监测的温控黏性多通道水凝胶电极及其制备方法，该温控黏性多通道水凝胶电极具备优异的柔性和导电性，且可实现黏性调控，提高颅内脑电信号保真度的同时保证了水凝胶电极的良性剥离，避免颅脑组织损伤。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供了一种用于术中颅内脑电监测的温控黏性多通道水凝胶电极，包括柔性基底层、柔性封装层、温控黏性水凝胶界面层及集成了内电路和电极的可拉伸导电层，柔性基底层与柔性封装层共同构建形成柔性框架主体，可拉伸导电层设置于柔性框架主体内，所述电极通过所述柔性封装层（2)上的窗口伸出所述柔性主体框架，温控黏性水凝胶界面层设置在柔性封装层上并覆盖所述电极，用于与颅内脑组织进行黏附；其中，温控黏性水凝胶界面层的组分包括温控黏性水凝胶多孔微球、磺酸铵基两性离子单体、酰胺类单体、烯酸酯类疏水单体、引发剂和交联剂，以上组分通过紫外引发聚合形成温控黏性水凝胶界面层；温控黏性水凝胶界面层在不同温度下黏性发生变化，可通过温控实现与颅脑组织的无缝集成与良性剥离。

4、本发明的原理为：当温控黏性水凝胶界面层温度降低时，温控黏性水凝胶多孔微球中缠绕的n-异丙基丙烯酰胺分子链表现为亲水状态，温控黏性水凝胶多孔微球快速吸水，温控黏性水凝胶界面层中的磺酸铵基两性离子分子链、烯酸酯类疏水链以及温控黏性水凝胶多孔微球中的邻苯二酚基团分别与颅脑表面建立静电键、疏水相互作用、席夫碱、迈克尔加成反应以及氢键，实现温控黏性水凝胶界面层与颅脑组织的无缝集成贴合；当完成术中脑电图采集后，升温温控黏性水凝胶界面层，温控黏性水凝胶多孔微球中缠绕的n-异丙基丙烯酰胺分子链发生相变，表现为疏水状态，温控黏性水凝胶多孔微球快速脱水生成界面水合层，温控黏性水凝胶界面层与颅脑表面的静电键、疏水相互作用、席夫碱、迈克尔加成反应以及氢键被破坏，黏性下降，实现温控黏性多通道水凝胶电极良性剥离。

5、本发明的有益效果为：

6、本发明的温控黏性多通道水凝胶电极可以通过温度调控水凝胶多孔微球的亲水/疏水状态，实现快速吸水和脱水从而实现界面化学粘附和物理粘附的动态重组，进而实现黏性的快速调控，进而保证采集脑电信号时，与颅脑组织无缝集成，提高信号保真度，脑电信号采集完成时，升温降低黏性，实现良性剥离，避免脑组织损伤；

7、本发明所提供的温控黏性水凝胶界面层通过修饰两性离子基团、酯基疏水基团以及邻苯二酚基团，分别与颅脑表面建立静电键、疏水相互作用、席夫碱、迈克尔加成反应以及氢键，显著提高了多通道水凝胶电极的黏性；

8、本发明提供的温控黏性水凝胶界面层具有优越的生物兼容性，可实现长时间的脑电监测，而不会造成脑组织炎症反应。

9、按上述方案，温控黏性水凝胶多孔微球由在水凝胶基球外包覆导电高分子涂层并接枝含邻苯二酚基团的接枝链形成，水凝胶基球为聚n-异丙基丙烯酰胺基/羧基类微球。

10、按上述方案，集成了内电路和电极的可拉伸导电层包括多个电极，内电路为分枝状，多个电极设置在内电路的分枝末端；温控黏性水凝胶界面层包括多个与电极分别一一对应的温控黏性水凝胶片，多个温控黏性水凝胶片分别覆盖在对应的电极上。

11、本发明通过集成了多通道电极阵列，提高了脑电信号检测的分辨率，其具有优越的柔性和可拉伸性，可与颅内脑组织表面实现环保型贴附，提高了该温控黏性多通道水凝胶电极的抗运动伪影能力。

12、按上述方案，柔性基底层和柔性封装层的材料均为聚二甲基硅氧烷（pdms）。

13、按上述方案，温控黏性水凝胶界面层的组分中，磺酸铵基两性离子单体为甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱（sbma）或3-二甲基(甲基丙烯酰氧基乙基)丙磺酸铵（dmps），酰胺类单体为丙烯酰胺、n,n-二甲基丙烯酰胺单体及其衍生物中的任意一种或多种，烯酸酯类疏水单体为2-苯氧乙基丙烯酸酯、丙烯酸苄酯、2-(2-苯氧乙氧基)丙烯酸乙酯、2(苯基磺酰)丙烯酸乙酯和2-甲氧基丙烯酸乙酯的一种或多种，交联剂为n ,n’-亚甲基双丙烯酰胺，聚（乙二醇）丙烯酸酯中的一种或多种，引发剂为α-酮戊二酸、irgacure2959、 irgacure1173、过硫酸铵（aps）和过硫酸钾(kps)中的一种或多种。

14、按上述方案，温控黏性水凝胶界面层中，温控黏性水凝胶多孔微球、磺酸铵基两性离子单体、酰胺类单体、烯酸酯类疏水单体、引发剂及交联剂所占的质量分数分别为10wt%-30 wt%、10 wt%-15 wt%、15 wt%-25 wt%、5 wt%-10 wt%、0.01 wt%-0.05 wt%、0.02wt%-0.1 wt%，余量为水。

15、按上述方案，聚n-异丙基丙烯酰胺基/羧基类微球为n-异丙基丙烯酰胺类单体与羧基类大分子链逆向乳液聚合得到，导电高分子涂层为pedot:pss、聚吡咯、聚苯胺及其衍生物中的任意一种或多种。

16、按上述方案，n-异丙基丙烯酰胺类单体为n-异丙基丙烯酰胺单体及其衍生物中的一种或多种，羧基类大分子链为聚天冬氨酸、聚赖氨酸、海藻酸、透质明酸及其衍生物中的任意一种或多种；含邻苯二酚基团的接枝链为多巴胺及其衍生物中的任意一种或多种。

17、按上述方案，温控黏性水凝胶多孔微球中n-异丙基丙烯酰胺类单体、羧基类大分子链、导电高分子涂层及含邻苯二酚基团的接枝链的质量分数分别为15 wt%-20 wt%、2.5wt%-5 wt%、10 wt%-15 wt%、5 wt%-10 wt%。

18、按上述方案，温控黏性水凝胶多孔微球的制备方法为：

19、s1.将10 mmol-30 mmol n-异丙基丙烯酰胺类单体与2 mmol-5 mmol羧基类大分子链溶解在去离子水与环己烷的混合溶液中，磁力搅拌直至溶液混合均匀后，脱气0.5-1h，所述混合溶液中去离子水和环己烷的体积比为1：1~8。

20、s2. 向上述溶液中依次加入质量分数分别为0.02-0.04 wt% aps和0.001-0.005wt% temed促进剂，磁力搅拌充分后聚合得到聚n-异丙基丙烯酰胺基/羧基类微球，离心洗涤后备用。

21、s3.将上述聚n-异丙基丙烯酰胺基/羧基类微球加入到含有50~100ml导电分子单体的溶液中，磁力搅拌均匀后，在上述溶液中依次加入质量分数分别为0.02-0.04 wt% aps和0.001-0.005 wt% temed促进剂，磁力搅拌充分后聚合得到导电高分子涂层修饰的聚n-异丙基丙烯酰胺基/羧基类微球，离心洗涤后备用，其中导电分子单体的质量分数为5-10wt%。

22、s4. 将导电高分子涂层修饰的聚n-异丙基丙烯酰胺基/羧基类微球溶于去离子水中，加入5-15 mmol的1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳化二亚胺盐酸盐和5-15 mmol的n-羟基硫代琥珀酰亚胺, 磁力搅拌混合并脱气。

23、s5. 将5-15 mmol的含邻苯二酚基团的单体缓慢溶于上述溶液中，密封并充分搅拌12小时，透析后冻干，得到邻苯二酚基接枝链修饰的温控黏性水凝胶多孔微球。

24、按上述方案，导电分子单体为edot:pss, 吡咯，苯胺中的一种或多种。

25、第二方面，本发明提供了上述用于术中颅内脑电监测的温控黏性多通道水凝胶电极的制备方法，包括如下步骤：

26、s1.在玻璃上旋涂聚二甲基硅氧烷预聚液，充分降至扩散并置于烘箱中固化完成柔性基底层制备；

27、s2.将柔性基底层从玻璃上剥离，贴附pvc掩膜层并通过激光雕刻得到多通道电极阵列图案，采用丝网印刷工艺实现可拉伸导电层在柔性基底层上的图案化制备，置于烘箱中固化后，溅射金得到电极；

28、s3.将pvc掩膜自柔性基底层剥离，进一步在柔性基底层上通过氧等离子体处理接枝羟基后，键合柔性封装层；

29、s4.向上述柔性器件中滴加二苯甲酮溶液，并注入温控黏性水凝胶预混液，紫外固化一小时后去除模具，得到用于术中颅内脑电监测的温控黏性多通道水凝胶电极，温控黏性水凝胶预混液由温控黏性水凝胶多孔微球、酰胺类单体磺酸铵基两性离子单体、酰胺类单体、烯酸酯类疏水单体、引发剂及交联剂溶于水中搅拌溶解制备得到。

30、该制备方法工艺简单，制备效率高。