一种柔性可延展微针干电极阵列装置及其制备方法

本技术涉及非侵入式电生理信号采集，具体而言，涉及一种柔性可延展微针干电极阵列装置及其制备方法。

背景技术：

1、非侵入式电生理信号采集电极是指可以直接放置在生物体皮肤表面，用于记录大脑神经元和心肌等各处肌肉因电生理活动所产生的集群电信号的一类信号采集装置。尽管非侵入式电极所采集的电生理信号质量在信噪比、时空分辨率等方面稍逊于侵入式和半侵入式电极所采集信号，但是其无需手术植入，可记录电生理信号种类多样(如心电、眼电、肌电、脑电)，高安全性和高可穿戴性的特点也使其在多个领域获得了广泛应用。

2、非侵入式微针电极是一种典型的非侵入式干电极，其表面的微针尖结构可以刺破高阻抗的角质层，直接在真皮层内采集信号，在完全不需要皮肤处理的情况下，实现稳定的信号采集。微针干电极的微针尖高度仅几百微米，使用时几乎不会引起疼痛。

3、然而，在实际使用中发现，采用微针干电极仍然难以完成长时可靠的体表电生理信号采集，其主要问题在于，体表电生理信号的长时间采集容易受到运动伪迹影响，在皮肤发生皱缩或拉伸形变时，微针干电极容易与皮肤分离或导致微针尖断裂在皮肤内，从而造成电极信号采集性能下降，无法满足长时间稳定信号采集。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种柔性可延展微针干电极阵列装置及其制备方法，旨在解决相关技术中体表电生理信号的长时间采集容易受到运动伪迹影响，在皮肤发生皱缩或拉伸形变时，微针干电极容易与皮肤分离或导致微针尖断裂在皮肤内，从而造成电极信号采集性能下降，无法满足长时间稳定信号采集的问题。

2、本技术的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中变得显然，或者可以通过本技术的实践而习得。

3、根据本技术的第一方面，提供一种柔性可延展微针干电极阵列装置，包括电极贴片和微针阵列单元，其中，

4、所述电极贴片包括贴片绝缘层、贴片导电层和贴片衬底；所述贴片导电层包括电极点阵列、电极点引出线和输出端口阵列，其中，所述电极点引出线配置为沿其延伸方向可延展，所述贴片绝缘层覆盖所述电极点引出线，所述贴片导电层和贴片绝缘层依次印刷在所述贴片衬底的表面，所述贴片衬底配置为柔性的、沿其延伸方向可延展；

5、所述微针阵列单元包括微针衬底和微针阵列，所述微针衬底包括微针衬底基体和微针衬底导电层，所述微针衬底基体由可延展材料制成，所述微针衬底导电层至少覆盖在所述微针衬底基体的微针面，所述微针面为所述微针衬底基体设置所述微针阵列的一面；所述微针阵列包括微针基体阵列和微针导电层，所述微针基体阵列由刚性材料制成，与所述微针衬底基体一体连接，所述微针导电层覆盖所述微针基体阵列的表面并与所述微针衬底导电层电学相连；所述微针导电层和所述微针衬底导电层与所述电极点阵列形成机械和电学连接。

6、在本技术的一种示例性实施例中，所述可延展材料为硅橡胶弹性体、聚二甲基硅氧烷、有机嵌段共聚物中的一种或任意组合。

7、在本技术的一种示例性实施例中，所述微针基体阵列的基体所采用的刚性材料可以是现有技术中微针干电极基体常规选用的刚性材料，对此，本技术不作特别限定。

8、在本技术的一种示例性实施例中，所述微针衬底导电层覆盖所述微针衬底基体的微针面和非微针面，且所述微针面和非微针面电学导通，所述非微针面为所述微针面的反面。

9、在本技术的一种示例性实施例中，所述微针阵列单元的非微针面与所述电极点阵列接触且通过粘性导电材料粘贴。

10、在本技术的一种示例性实施例中，还包括用于连接所述微针阵列单元与所述电极贴片的导电粘贴片；所述贴片衬底和所述电极点阵列上均设置开孔，所述导电粘贴片一面粘贴所述电极点阵列和所述贴片衬底，所述微针阵列单元的非微针面从所述贴片衬底和所述电极点阵列的开孔处与所述导电粘贴片粘贴连接且所述微针阵列单元与所述电极点阵列电学连接，所述导电粘贴片的另一面进行绝缘。所述导电粘贴片可以是导电胶布或其他能够导电的粘贴件，对此，本技术不作特别限制。所述导电粘贴片的另一面进行绝缘，可以是在另一面粘贴绝缘贴片或者是对该另一面上涂覆绝缘层，对此本技术不作特别限制，只要能够实现暴露导电面的绝缘即可。

11、在本技术的一种示例性实施例中，所述微针衬底导电层仅覆盖所述微针衬底基体的微针面。

12、在本技术的一种示例性实施例中，还包括用于连接所述微针阵列单元与所述电极贴片的绝缘连接件；所述贴片衬底和所述电极点阵列上均设置开孔，所述电极点阵列开孔后留有外圈导电层，所述微针阵列单元的导电微针面从所述开孔处与所述电极点阵列的外圈导电层接触以实现电学连接，所述绝缘连接件将所述微针阵列单元与所述电极贴片连接并使所述微针阵列单元与所述电极点阵列紧密贴合。所述绝缘连接件可以是绝缘贴片，也可以是其他绝缘连接件，只要能够实现暴露导电面的绝缘即可，对此本技术不作特别限制。

13、在本技术的一种示例性实施例中，所述贴片衬底为可延展材料制成；或者，所述贴片衬底为柔性材料制成且设置成沿其延伸方向可延展的蛇形结构。

14、在本技术的一种示例性实施例中，所述微针阵列中微针的高度为100-1000μm，底部直径为50-300μm，相邻微针的中心距离为100μm-1mm；和/或，所述可延展衬底的厚度为10-300μm。

15、根据本技术的第二方面，提供一种柔性可延展微针干电极阵列装置的制备方法，包括制备微针阵列单元的步骤、制备电极贴片的步骤以及将微针阵列单元粘贴在电极贴片上以实现微针阵列单元与电极贴片电学和机械连接的步骤，其中，

16、所述制备微针阵列单元的步骤包括：

17、加工阴模具，所述阴模具包括模具基体和成型在模具基体上的呈槽状的微针尖区域；

18、将具有刚性特性的材料前驱体溶液覆盖在阴模具表面，使涂覆材料进入阴模具的微针尖区域，固化形成刚性的微针基体阵列；

19、将具有可延展特性的材料前驱体溶液覆盖在阴模具表面，固化后形成可延展的微针衬底基体；

20、将由微针衬底基体和微针基体阵列构成的可延展微针阵列从阴模具上剥离下来；

21、至少在可延展微针阵列的微针面沉积导电层，形成微针衬底导电层和微针导电层以得到微针阵列单元，所述微针面为可延展微针阵列具有微针基体阵列的一面；

22、所述制备电极贴片的步骤包括：

23、加工贴片绝缘层、贴片导电层和贴片衬底，所述贴片导电层包括电极点阵列、电极点引出线和输出端口阵列，所述电极点引出线被加工为沿其延伸方向可延展，所述贴片衬底被加工为沿其延伸方向可延展，将贴片绝缘层覆盖电极点引出线，贴片导电层和贴片绝缘层依次印刷在贴片衬底的表面；

24、所述将微针阵列单元粘贴在电极贴片上的步骤包括：

25、将微针阵列单元粘贴在电极贴片的电极点阵列上，得到多通道柔性可延展微针干电极阵列装置。

26、在本技术的一种示例性实施例中，可延展特性的材料可以是硅橡胶弹性体、聚二甲基硅氧烷、有机嵌段共聚物中的任一种或任意组合。

27、在本技术的一种示例性实施例中，所述微针基体阵列的基体所采用的刚性材料可以是现有技术中微针干电极基体常规选用的刚性材料，对此，本技术不作特别限定。

28、在本技术的一种示例性实施例中，所述沉积为溅射、热蒸发、电子束蒸发等物理气相沉积，或喷涂导电溶液、喷涂金属颗粒等沉积方法。沉积导电层所用材料可以是金属或其它能够形成导电层的材料。

29、在本技术的一种示例性实施例中，所述至少在可延展微针阵列的微针面沉积导电层的步骤包括：通过两次沉积工艺在可延展微针阵列的微针面和非微针面分别沉积导电层，并使得微针面和非微针面的微针衬底导电层电学相连。

30、在本技术的一种示例性实施例中，所述将微针阵列单元粘贴在电极贴片的电极点阵列上的步骤包括：

31、将微针阵列单元的非微针面直接与电极贴片的电极点阵列接触，且通过粘性导电材料粘贴。

32、在本技术的一种示例性实施例中，所述制备电极贴片的步骤包括：在贴片衬底和电极点阵列上均开孔，电极点阵列在开孔后留有外圈导电层；

33、所述将微针阵列单元粘贴在电极贴片的电极点阵列上的步骤包括：

34、使用导电粘贴片与电极点阵列的外圈导电层粘贴以实现与电极贴片的电学连接，导电粘贴片的一面从电极点阵列的开孔区域裸露出来；

35、对导电粘贴片的另一面进行绝缘处理；

36、将微针阵列单元与电极点阵列开孔区域暴露出的导电粘贴片粘贴，实现微针阵列单元与导电粘贴片电学连接，进而与电极贴片建立电学连接。

37、所述导电粘贴片可以是导电胶布或其他能够导电的粘贴件，对此，本技术不作特别限制。所述导电粘贴片的另一面进行绝缘，可以是在另一面粘贴绝缘贴片或者是对该另一面上涂覆绝缘层，对此本技术不作特别限制，只要能够实现暴露导电面的绝缘即可。

38、在本技术的一种示例性实施例中，所述至少在可延展微针阵列的具有微针基体阵列的正面沉积导电层的步骤包括：仅通过一次沉积工艺在可延展微针阵列的微针面沉积导电层；

39、所述制备电极贴片的步骤包括：在贴片衬底和电极点阵列上均开孔，电极点阵列在开孔后留有外圈导电层；

40、所述将微针阵列单元粘贴在电极贴片的电极点阵列上的步骤包括：

41、将微针阵列单元的导电微针面直接与电极点阵列接触形成电学连接；

42、使用绝缘连接件将微针阵列单元与电极贴片连接并使微针阵列单元与电极点阵列紧密贴合。所述绝缘连接件可以是绝缘贴片，也可以是其他绝缘连接件，只要能够实现暴露导电面的绝缘即可，对此本技术不作特别限制。

43、在本技术的一种示例性实施例中，所述将具有可延展特性的材料前驱体溶液覆盖在阴模具表面，固化形成可延展衬底基体的步骤包括：

44、制备低浓度和高浓度可延展材料前驱体溶液；

45、将低浓度可延展材料前驱体溶液覆盖在阴模具表面后，通过长时间静置或抽真空辅助或离心辅助使低浓度可延展材料前驱体溶液渗入阴模具微针部分的缝隙中；

46、将高浓度可延展材料前驱体溶液覆盖在阴模具表面进行固化形成可延展衬底基体。

47、在本技术的一种示例性实施例中，在可延展特性的材料前驱体溶液覆盖在阴模具表面后，通过加热固化或常温固化或光固化形成可延展衬底基体。

48、在本技术的一种示例性实施例中，所述加工阴模具的步骤包括：

49、通过机加工或3d打印加工出主模具，所述主模具包括刚性模具衬底和刚性模具微针尖；

50、将主模具放置在容器中，浇筑弹性体并固化；

51、将固化后的弹性体从所述主模具上剥离，形成阴模具。

52、在本技术的一种示例性实施例中，所述弹性体为硅胶弹性体，所述固化为常温固化、加热固化和光固化中一种或任意组合。

53、在本技术的一种示例性实施例中，所述将具有刚性特性的材料前驱体溶液覆盖在阴模具表面，使涂覆材料进入阴模具的微针尖区域，固化形成微针基体的步骤中，

54、通过长时间静置或抽真空辅助或离心辅助使所述涂覆材料进入阴模具的微针尖区域，并刮去阴模具表面多余的刚性材料前驱体溶液，然后采用常温固化、加热固化和光固化中一种或任意组合形成微针基体。

55、本技术示例性实施例可以具有以下部分或全部有益效果：

56、在本技术示例实施方式所提供的柔性可延展微针干电极阵列装置，一方面，通过将电极贴片的电极引出线和贴片衬底设置为可延展的，使得在皮肤发生皱缩或拉伸形变时，电极贴片能够随着皮肤皱缩或拉伸形变而进行适配性的收缩或延展变形；另一方面，通过将微针衬底基体设置成可延展材料，微针基体阵列由刚性材料制成，同时满足微针尖的刚性和电极衬底的可延展性，使得微针干电极阵列装置在皮肤发生皱缩或拉伸形变时，微针干电极由于能够随着皮肤形变而发生适配性形变而不容易与皮肤分离，从而提高电极信号采集性能，能够满足长时间稳定信号采集。

57、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。