一种多通道光纤神经电极及其制备方法

本发明属于神经光纤，具体涉及一种多通道光纤神经电极及其制备方法。

背景技术：

1、光纤作为一种常见的导光器件，广泛应用于生物学和生物医学领域，利用光在纤维内部通过全内反射原理进行光信号传输。在神经科学研究中，尽管新型的光学设备不断涌现并提供了替代方案，但基于光纤的设备依然在光遗传学研究中占据主导地位。这是因为光纤具备微型化设计、多样化的光源选择以及无损光传输的优点，非常适合神经学的相关研究。此外，通过优化光纤的表面积设计，还可能拓展其传感和驱动功能。

2、尽管刚性植入设备因其可靠性而在植入环境中得到广泛应用，但柔性材料因其更高的稳定性和良好的生物相容性，逐渐成为神经科学中更为理想的选择。刚性植入物在微小运动作用下可能在裂纹形成之前的有限时间内工作，且往往会在神经元与传感器之间造成间隙。更重要的是，刚性植入物与脑组织之间的运动会引发炎症反应，进而导致设备的失效。相比之下，柔性植入物能够更好地适应脑组织的曲面形态，实现更好的匹配，减少炎症反应和排斥反应，从而提高植入效果。

3、然而，光纤的弯曲几何形态使得将其他电子元件集成到光纤中变得极为困难。近年来，采用光学塑料、人造橡胶、水凝胶等柔性材料制造的光纤，能够提供与软组织更好匹配的机械性能，有助于减少组织损伤并实现更紧密的组织接触。更为重要的是，柔性光纤具有潜力作为柔性电子的理想载体，能够开发出比传统光学刺激更为先进和复杂的光电光纤器件。部分前沿研究已经探索了将微丝柔性光纤与传感电极(如涂覆银纳米线的电极)相结合，这为多点记录和传感提供了新的思路。然而，尽管通过增加微丝电极可以实现多点记录，依然未能真正实现真正意义上的柔性光电极，而光纤表面涂覆银纳米线并不能有效实现多点记录。因此，当前的需求是开发一种全新的、适用于神经电极的光纤器件，能够将光传输与电信号传感功能有机结合，推动神经电极技术的进一步发展。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本发明提供了一种多通道光纤神经电极，适用于神经电极，有机结合了光传输与电信号传感功能。

2、本发明还提供了一种多通道光纤神经电极的制备方法。

3、本发明的第一方面提供了一种多通道光纤神经电极，包括光纤基体和集成在所述光纤基体表面的柔性微电极阵列，所述光纤基体包括纤芯和包覆所述纤芯的包层，所述纤芯的折射率大于所述包层的折射率，所述柔性微电极阵列包括自靠近所述包层开始依次设置的柔性基底层、导电层和绝缘层。

4、本发明关于多通道光纤神经电极的技术方案中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：

5、现有的柔性多模态探针主要通过在柔性光纤中制造微丝(钨丝或铜丝)的孔洞，将其与柔性光纤集成于一体，这种方法使得微丝与柔性光纤融合时有一定的难度，且微丝数量有限同时还要在融合过程中还要避免微丝之间的相互接触，过程比较难以控制；还有的使用在柔性光纤表面沉积agnws作为电极，将柔性光纤浸泡在agnws溶液中使表面涂覆一层导电物质，这种方法制备的柔性电极的通道数存在局限性，不能实现多位点记录。本发明的多通道光纤神经电极，包括光纤基体和集成在所述光纤基体表面的柔性微电极阵列，光纤基体的柔软性和灵活性可以促进植入过程，允许纤维弯曲以适应不同植入区域的距离和深度。在光纤基体表面的柔性微电极阵列能够实现在中枢外周上的多位点记录。

6、本发明的多通道光纤神经电极，纤芯的折射率大于包层的折射率，即光纤结构分为两个部分，内部具有较高折射率的纤芯和外部具有较低折射率的包层。当满足一定角度的光线进入纤芯时，便会在纤芯与包层的界面上发生全反射。

7、本发明的多通道光纤神经电极技术方案，结合了光纤导光的优势和柔性微电极阵列的电信号采集能力，提供了一种全新的、多功能的神经电极解决方案。具体而言：

8、1.多通道信号采集能力。本发明技术方案的核心创新在于通过在光纤基体表面集成柔性微电极阵列，能够实现多个电极同时接触不同的神经区域，进行多点电信号记录。与现有技术不同，该设计克服了以往通过微丝集成或银纳米线涂层电极所面临的局限性，能够有效扩展记录通道数，提升信号的空间分辨率。这对于复杂的神经网络研究、病理研究以及神经接口技术都有极大的应用潜力。

9、2.光纤基体的柔性与适应性。本发明光纤基体的柔性和轻便性使得其在神经电极植入过程中的适应性显著提高。柔性设计能够使光纤轻松弯曲，适应神经组织复杂的形态和位置，同时减少由于植入过程中硬件与脑组织之间的相对运动所产生的生物学损伤。相比传统刚性光纤或电极，柔性光纤能够减少对脑组织的机械压力和损伤，从而降低引发炎症反应和排斥反应的风险。

10、3.全内反射机制保证光信号传输的效率。本发明光纤的核心部分(纤芯)与包层的折射率差异确保了光信号在光纤内部通过全内反射原理高效传输。当光信号通过光纤时，满足一定角度的光线会在纤芯和包层的界面发生全反射，避免光信号的泄露。这一特性确保了光信号在神经电极应用中的传输效率，提供了稳定且精确的光遗传学刺激能力。

11、4.柔性微电极阵列的制造工艺。与现有技术中常见的通过金属丝或溶液沉积等方式集成电极的方法不同，本发明采用了一种集成设计，在光纤基体表面直接构建柔性微电极阵列。该阵列由柔性基底层、导电层和绝缘层依次组成，能够保证良好的电信号传输并避免不同电极之间的电气干扰。柔性基底层为电极提供了良好的机械适配性，使其能够更好地与神经组织接触，并与脑组织或外周神经结构保持稳定的信号采集性能。

12、5.提高生物相容性和稳定性。本发明多通道光纤神经电极方案的另一显著优势是其出色的生物相容性。柔性材料的使用不仅能够更好地适应神经组织的曲线和表面特性，还能减少植入过程中的机械损伤。此外，这种设计还降低了因硬质植入物与脑组织之间的机械摩擦而引发的生物排斥反应。相比刚性电极，柔性电极的长期植入稳定性更好，能够持续提供高质量的电信号记录。

13、6.光电耦合的多功能性。除了电信号采集之外，本发明的光纤神经电极还具有光信号传输的能力，能够在进行电生理记录的同时，提供光遗传学刺激。这种光电耦合功能为神经科学研究提供了更为广泛的实验手段。研究人员可以在同一时间、同一设备上实现光遗传学控制和电生理监测，提供更为精确的神经电活动调控和分析。

14、7.提升实验控制的精确度。由于光纤能够实现精确的光传输，结合多通道的电信号采集能力，这种神经电极能够更好地配合现代神经调控技术(如光遗传学)，进行高精度的实验设计和控制。通过在特定区域进行精细的光刺激，同时实时监控多点电活动，可以极大地提升神经活动研究的准确性和可重复性。

15、8.适用范围广泛。本发明的多通道光纤神经电极可以广泛应用于各种神经科学研究领域，尤其是在光遗传学研究、神经接口、脑机接口(bci)、脑电图(eeg)和外周神经监测等方面。它能够为这些领域提供更先进、更高效的实验工具，为科学研究和临床治疗提供新的突破。

16、由此，本发明的多通道光纤神经电极通过结合光纤导光技术和柔性微电极阵列，突破了传统神经电极的设计瓶颈，提供了更加灵活、精准、可靠的解决方案。该技术不仅具有较高的实验操作性，也为临床应用、神经疾病诊疗和脑机接口技术等领域的创新发展奠定了基础。

17、根据本发明的一些实施方式，所述纤芯的直径范围是200-800μm。

18、根据本发明的一些实施方式，所述包层的厚度范围是10-20μm。

19、根据本发明的一些实施方式，所述纤芯的折射率范围是1.41-1.42。

20、根据本发明的一些实施方式，所述包层的折射率范围是1.39-1.40。

21、根据本发明的一些实施方式，所述柔性基底层的材质包括聚酰亚胺。

22、除了聚酰亚胺，也可以选择使用其他柔性材料作为基底。

23、根据本发明的一些实施方式，所述绝缘层的材质包括聚酰亚胺。

24、聚酰亚胺，也可以选择使用其他绝缘材料作为绝缘层。

25、根据本发明的一些实施方式，所述导电层的材质包括铜。

26、根据本发明的一些实施方式，所述导电层的厚度为2微米～5微米。

27、本发明的第二方面提供了一种制备本发明第一方面的多通道光纤神经电极的方法，包括以下步骤：

28、s1：配制纤芯前驱体溶液和包层前驱体溶液，将所述纤芯前驱体溶液注入模具中，加热固化得到所述纤芯；

29、s2：制备微电极阵列，将所述包层前驱体溶液涂覆于所述纤芯表面，将所述微电极阵列中的柔性基底层一侧压合到涂覆了包层溶液的纤芯表面，加热固化，得到所述的多通道光纤神经电极。

30、本发明关于多通道光纤神经电极的制备方法中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：

31、1.多通道设计提高性能：通过制备多通道光纤神经电极，可以同时进行多个神经电信号的采集或刺激，极大地提高了电极的工作效率和数据采集能力。这种多通道设计使得电极能够在神经科学研究中处理更多的信号，增强了电极在神经调控和神经接口技术中的应用潜力。

32、2.精细加工和高效制备：该方法使用纤芯前驱体溶液和包层前驱体溶液，分别进行精确的固化工艺，保证了光纤结构的精细制作。通过将微电极阵列的柔性基底层与涂覆有包层溶液的纤芯表面压合，确保了电极的高精度和稳定性，减少了工艺中的误差和不一致性。

33、3.结构优化：包层前驱体溶液涂覆在纤芯表面，有助于形成光纤的包层结构，这样不仅提升了光纤的传光性能，还增强了其与神经组织之间的机械匹配度，提升了电极的生物兼容性和长期稳定性。

34、4.柔性设计提升生物兼容性：柔性基底层的使用确保了多通道光纤神经电极能够适应生物组织的弯曲和伸缩，避免了传统刚性电极在植入过程中的损伤或不适应。这种柔性设计增强了电极与神经组织的贴合度，减少了对神经组织的损伤，提升了长期使用的安全性。

35、5.简化工艺，降低成本：通过使用简单的前驱体溶液和常见的加热固化工艺，该方法能够降低生产成本，同时保持高效的制备流程。这使得该技术在实际应用中具有较好的成本效益，能够在更大范围内推广和应用。

36、由此，该制备方法不仅能提高多通道光纤神经电极的性能和可靠性，而且优化了生产工艺，提高了生物兼容性，具有较大的实际应用前景。进一步的，本发明的制备方法，无需昂贵的设备和复杂的过程控制，反应条件不苛刻，原料易得，生产成本低，容易工业化生产。

37、根据本发明的一些实施方式，所述纤芯和包层的材质包括聚二甲基硅氧烷(pdms)。

38、根据本发明的一些实施方式，所述纤芯前驱体溶液中，纤芯前驱体和固化剂的比例为3～6:1。

39、根据本发明的一些实施方式，所述纤芯前驱体溶液中，纤芯前驱体和固化剂的比例为3:1、4:1、5:1或6:1。

40、根据本发明的一些实施方式，所述纤芯前驱体包括聚二甲基硅氧烷(如道康宁dc184)及其相应固化剂。

41、根据本发明的一些实施方式，所述包层前驱体溶液中，包层前驱体和固化剂的比例为15～25:1。

42、根据本发明的一些实施方式，所述包层前驱体溶液中，包层前驱体和固化剂的比例为15:1、16:1、17:1、18:1、19:1或20:1。

43、根据本发明的一些实施方式，所述包层前驱体包括聚二甲基硅氧烷(如道康宁dc184)及其相应固化剂。

44、根据本发明的一些实施方式，所述加热固化的温度为80℃～100℃。

45、根据本发明的一些实施方式，所述加热固化的温度为80℃、85℃、90℃、95℃、100℃中的任一值或任意两者形成的范围值，如90℃～95℃。

46、根据本发明的一些实施方式，所述加热固化的时间为60～90min。

47、根据本发明的一些实施方式，所述微电极阵列的制备方法包括以下步骤：

48、(1)在基底上依次形成牺牲层、所述柔性基底层和所述导电层；

49、(2)通过光刻和湿法腐蚀，所述导电层形成微电极阵列和互连线的图形；

50、(3)在步骤s2处理后的导电层表面形成绝缘层，通过反应离子刻蚀进行图案化处理，暴露电极位点；

51、(4)将水溶性胶带粘附于所述绝缘层表面，从所述基底上拾取微电极阵列结构；

52、(5)将步骤s3拾取的微电极阵列结构附着到衬底上，用水将所述水溶性胶带溶解后，形成结构依次为衬底、绝缘层、导电层和柔性基底层的微电极阵列。

53、本发明在制备柔性光纤时，可以选择其他柔性材料，根据每种材料性能的不同，变更制备条件，选择合适的方法制备柔性光纤。

54、本发明在将光纤与微电极阵列集于一体时可以选择其他胶类物质将光纤与微电极阵列永久粘合。