一种微电极结构及其制备方法与流程

1.本发明涉及细胞催化和电转染技术领域，更具体地说，涉及一种微电极结构及其制备方法。


背景技术：

2.随着分子生物学和细胞生物学研究的不断发展，转染已经成为研究和控制细胞基因功能的常规工具；在研究基因功能、调控基因表达、突变分析和蛋白质生产等生物学试验中，其应用越来越广泛。
3.细胞由带负电荷的磷脂双分子层构成，这对大分子物质来说是个不可透过的屏障，比如dna和rna的磷酸骨架，其也带负电荷。
4.那么，为了使核酸穿过细胞膜，目前研究人员开发了多种技术，主要包括生物方法、化学方法和物理方法；基于生物方法而言，主要是利用基因工程病毒转染非病毒基因到细胞中；基于化学方法而言，主要是利用载体分子包被核酸使其呈现中性电荷或正电荷；基于物理方法而言，主要是在细胞膜表面产生一个瞬时的孔从而导入dna。
5.但是，目前仍然没有一种方法适用于所有的细胞和实验，理想的方法应根据细胞类型和实验需要进行选择，理想的方法应具有高转染效率、低细胞毒性、对正常生理学的影响最小、且易于使用和可重复性等特点。
6.传统电传染也称为细胞电穿孔，在瞬间强大电场的作用下，溶液中细胞的细胞膜被破坏，通透性增高，带电的外源物质以类似电泳的方式进入细胞膜；电场使核酸等物质进入细胞膜后只能停止在细胞膜附近，随后基于细胞本身的机制可以允许这些物质到细胞核等位置处。
7.但是，传统电转染的高电压脉冲可导致部分细胞因细胞膜被破坏而死亡，细胞致死率相对较高，且核酸和细胞的用量很大，并且传统电转染的转染效率也比较低。


技术实现要素：

8.有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种微电极结构及其制备方法，技术方案如下：
9.一种微电极结构，所述微电极结构包括：
10.基底层；
11.位于所述基底层一侧的过渡层，所述过渡层具有凹槽，所述凹槽贯穿所述过渡层；
12.位于所述过渡层背离所述基底层一侧的电极层，所述电极层覆盖所述凹槽的底部和侧壁，以及覆盖所述过渡层背离所述基底层一侧的表面；
13.位于所述凹槽内且位于所述凹槽内电极层背离所述基底层一侧的绝缘层，所述绝缘层暴露出位于所述过渡层背离所述基底层一侧的部分电极层，形成多个微电极单元；
14.其中，多个所述微电极单元阵列排布。
15.优选的，在上述微电极结构中，多个所述微电极单元呈正三角形矩阵排布。
16.优选的，在上述微电极结构中，多个所述微电极单元呈正四边形矩阵排布。
17.优选的，在上述微电极结构中，多个所述微电极单元呈正六边形矩阵排布。
18.优选的，在上述微电极结构中，所述微电极单元的尺寸范围为1um-500um。
19.优选的，在上述微电极结构中，相邻两个所述微电极单元之间的间距范围为1um-500um。
20.优选的，在上述微电极结构中，所述微电极单元的高度范围为10um-1000um。
21.优选的，在上述微电极结构中，所述绝缘层的厚度范围为10um-500um。
22.优选的，在上述微电极结构中，所述基底层的材料为金属材料或塑料材料或硅材料或玻璃材料；
23.所述过渡层的材料为金属材料或无机非金属材料或金属氧化物材料；
24.所述微电极层的材料为黄金材料或铂金材料或钛材料；
25.所述绝缘层的材料为有机物材料或聚合物材料或非金属材料。
26.一种微电极结构的制备方法，所述制备方法用于制备上述任一项所述的微电极结构，所述制备方法包括：
27.提供一基底层；
28.在所述基底层的一侧形成过渡层，所述过渡层具有凹槽，所述凹槽贯穿所述过渡层；
29.在所述过渡层背离所述基底层的一侧形成电极层，所述电极层覆盖所述凹槽的底部和侧壁，以及覆盖所述过渡层背离所述基底层一侧的表面；
30.在位于所述凹槽内且在所述凹槽内电极层背离所述基底层的一侧形成绝缘层，所述绝缘层暴露出位于所述过渡层背离所述基底层一侧的部分电极层，形成多个微电极单元；其中，多个所述微电极单元阵列排布。
31.相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：
32.本发明提供的一种微电极结构包括：基底层；位于所述基底层一侧的过渡层，所述过渡层具有凹槽，所述凹槽贯穿所述过渡层；位于所述过渡层背离所述基底层一侧的电极层，所述电极层覆盖所述凹槽的底部和侧壁，以及覆盖所述过渡层背离所述基底层一侧的表面；位于所述凹槽内且位于所述凹槽内电极层背离所述基底层一侧的绝缘层，所述绝缘层暴露出位于所述过渡层背离所述基底层一侧的部分电极层，形成多个微电极单元；其中，多个所述微电极单元阵列排布。该微电极结构基于多个尺寸较小的微电极单元呈现高密度的规则阵列排布，单位面积内的微电极数量很多，也就是说通过电极的微观化和规则排布方式可以使电场分布更加均匀，同时微观化的电场可以更加有效的聚焦电场作用到细胞，并且新型的多层复合结构的微电极结构具有惰性强、稳定性好和生物兼容性好等优点。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
34.图1为本发明实施例提供的一种微电极结构的截面示意图；
35.图2为本发明实施例提供的一种微电极结构的俯视示意图；
36.图3为本发明实施例提供的一种微电极单元呈正三角形矩阵排布的示意图；
37.图4为本发明实施例提供的一种微电极单元呈正四边形矩阵排布的示意图；
38.图5为本发明实施例提供的一种微电极结构的制备方法的流程示意图；
39.图6-图10为图5所示制备方法对应的部分结构示意图。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.基于背景技术记载的内容而言，在本发明的发明创造过程中发明人发现，传统电转染的高电压和不均匀的电场分布是造成传统电转染问题的主要原因，高电压和不均匀的电场分布都和传统电转染所采用的电极相关，经过长时间的研究和不同的技术迭代，目前的电极设计主要包括大尺寸的平板电极结构和小尺寸的针状电极结构，其中大尺寸的平板电极结构主要应用在电极环中，材料主要有铝、钛和金等材料；小尺寸的针状电极结构主要应用在生物多孔板方面，材料主要有不锈钢等材料；但是，无论是大尺寸的平板电极结构还是小尺寸的针状电极结构，都无法完全解决高电压和不均匀电场分布的问题，也无法完全解决电极材料在细胞培养液中的电解和氧化作用，从而无法有效的提高细胞转染的活率和效率。
42.基于此，在本发明实施例中提供了一种新型的微电极结构及其制备方法，该微电极结构的尺寸非常小，并且呈现高密度的规则阵列排布，单位面积内的微电极数量很多，也就是说通过电极的微观化和规则排布方式可以使电场分布更加均匀，同时微观化的电场可以更加有效的聚焦电场作用到细胞。
43.并且，为了进一步解决电极材料的问题，在本发明实施例中并没有采用铝或不锈钢等传统的电极材料，而是微电极结构的材料可以采用多层复合结构的惰性材料，该多层复合结构的微电极结构具有惰性强、稳定性好和生物兼容性好等优点，并且该多层复合结构的微电极结构采用半导体加工工艺，该半导体加工工艺可以确保微尺寸高精度的加工和批量化一致性的量产，并且该半导体加工工艺可以对电极依次做基底层、过渡层、微电极层和绝缘层等膜层结构，材料可以根据选择需求选择金属、非金属、氧化物以及相应的不同材料的组合。
44.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
45.参考图1，图1为本发明实施例提供的一种微电极结构的截面示意图，参考图2，图2为本发明实施例提供的一种微电极结构的俯视示意图，微电极结构11包括：基底层12。
46.位于所述基底层12一侧的过渡层13，所述过渡层13具有凹槽，所述凹槽贯穿所述过渡层13。
47.位于所述过渡层13背离所述基底层12一侧的电极层14，所述电极层14覆盖所述凹槽的底部和侧壁，以及覆盖所述过渡层13背离所述基底层12一侧的表面。
48.位于所述凹槽内且位于所述凹槽内电极层14背离所述基底层12一侧的绝缘层15，所述绝缘层15暴露出位于所述过渡层13背离所述基底层12一侧的部分电极层，形成多个微电极单元2。
49.其中，多个所述微电极单元2阵列排布。
50.具体的，在本发明实施例中提出了一种新型的微电极结构，该微电极结构11可以应用在体的活体和离体的细胞，对活体细胞和离体细胞均有催化刺激的效果，本发明实施例提供的微电极结构11中多个微电极单元2整体呈规则的阵列排布，此阵列排布的方式对电场的分布更加均匀有效，并且此电场对活体和细胞的作用可以达到最优的效果，进一步的如图1所示，本发明实施例提供的的微电极结构11是一种多层复合结构，微电极结构11的材料可以采用多层复合结构的惰性材料，此惰性材料对活体和细胞安全有效无副作用。
51.也就是说，本发明实施例提供的微电极结构11是把电极做成规则阵列排布的微小结构，通过特定的结构设计提高单位面积内的电极的密度和数量，从而使电场的分布更好均匀和细化，另外本发明实施例通过半导体工艺把微电极结构11做成图1所示的多层复合结构，可以确保与活体和细胞接触的电极是安全的惰性材料，并且此多层复合结构有利于微电极结构11的附着性和稳定性，有效减小电极自身的阻抗；而非电极区域的绝缘层15采用了生物兼容性良好的绝缘材料。
52.需要说明的是，图2中标号1表示多个所述微电极单元2的排布阵列。
53.可选的，在本发明另一实施例中，参考图3，图3为本发明实施例提供的一种微电极单元呈正三角形矩阵排布的示意图。
54.多个所述微电极单元呈正三角形矩阵排布。
55.具体的，在本发明实施例中标号3表示呈正三角形矩阵排布的微电极单元的排布效果，标号4表示单个正三角形的微电极单元排布，标号5表示多个所述微电极单元呈正三角形矩阵排布下相邻两个微电极单元之间的间距，标号6表示多个所述微电极单元呈正三角形矩阵排布下的单个微电极单元。
56.可选的，在本发明另一实施例中，参考图4，图4为本发明实施例提供的一种微电极单元呈正四边形矩阵排布的示意图。
57.多个所述微电极单元呈正四边形矩阵排布。
58.具体的，在本发明实施例中标号7表示呈正四边形矩阵排布的微电极单元的排布效果，标号8表示单个正四边形的微电极单元排布，标号9表示多个所述微电极单元呈正四边形矩阵排布下相邻两个微电极单元之间的间距，标号10表示多个所述微电极单元呈正四边形矩阵排布下的单个微电极单元。
59.可选的，在本发明另一实施例中，多个所述微电极单元呈正六边形矩阵排布。
60.具体的通过上述描述可知，本发明实施例中的微电极结构11设计采用阵列排布的方式，具体阵列排布方式可以是正三角形矩阵排布，正四边形矩阵排布和正六边形矩阵排布等其它形式的排布，在本发明实施例中主要以正三角形矩阵排布，正四边形矩阵排布和正六边形矩阵排布为例进行说明，那么在相同微电极单元尺寸和相邻两个微电极单元之间间距的情况下，不同的排布方式可以使单位面积的微电极单元的数量不同，以及单位面积的电场分布不同，也就是说通过电极的微观化和规则排布方式可以使电场分布更加均匀，同时微观化的电场可以更加有效的聚焦电场作用到细胞。
61.需要说明的是，在本发明实施例中优选地采用正三角形矩阵排布的方式，同时也可选地包括正四边形矩阵排布和正六边形矩阵排布。
62.可选的，在本发明另一实施例中，所述微电极单元2的尺寸范围为1um-500um。
63.相邻两个所述微电极单元2之间的间距范围为1um-500um。
64.所述微电极单元2的高度范围为10um-1000um。
65.所述绝缘层15的厚度范围为10um-500um。
66.具体的，在本发明实施例中此微电极结构11呈规则矩阵排布的方式分布，优选地采用正三角形矩阵排布，从而提高单位面积内的微电极单元2的数量，并且本发明的微电极结构11可以精确控制微电极单元2的尺寸，相邻两个微电极单元2之间的间距和微电极单元2的高度，可选的在本发明实施例中，微电极单元2的尺寸范围为1um-500um，相邻两个所述微电极单元2之间的间距范围为1um-500um，微电极单元2的高度范围为10um-1000um，绝缘层15的厚度范围为10um-500um。
67.可选的，在本发明另一实施例中，所述基底层12的材料为金属材料或塑料材料或硅材料或玻璃材料。
68.所述过渡层13的材料为金属材料或无机非金属材料或金属氧化物材料。
69.所述微电极层14的材料为黄金材料或铂金材料或钛材料。
70.所述绝缘层15的材料为有机物材料或聚合物材料或非金属材料。
71.具体的，在本发明实施例中微电极结构11采用多层复合结构，该多层复合结构的微电极结构11可以是刚性结构，也可以是柔性结构，刚性结构和柔性结构的主要区别是材料的类型和制备工艺的选择；需要说明的是，本发明实施例中的多层复合结构的微电极结构11优选地采用刚性的多层复合结构，同时可选地采用柔性的多层复合结构。
72.本发明实施例提供的多层复合结构的微电极结构11主要包括基底层12，过渡层13，微电极层14，绝缘层15；基底层12的材料可选地包括金属材料或无机非金属材料或金属氧化物材料等，本发明实施例中基底层12的材料优选地采用金属材料；过渡层13的材料可选地包括金属材料或无机非金属材料或金属氧化物材料等，本发明实施例中过渡层13的材料优选地采用金属材料；微电极层14的材料可选地包括黄金材料或铂金材料或钛材料等，本发明实施例中微电极层14的材料优选地采用黄金材料，绝缘层15的材料可选地包括有机物材料或聚合物材料或非金属材料等，本发明实施例中绝缘层15的材料优选地采用聚合物材料。
73.需要说明的是，本发明实施例提供的多层复合结构的微电极结构11，可以提高微电极的附着稳定性和寿命，可选的本发明实施例提供的多层复合结构的微电极结构11可以通过半导体的加工方法完成，性能稳定可批量化生产；在本发明实施例中，微电极结构11加工制备所涉及到的材料均具有良好的生物兼容性，多层复合结构的微电极结构11中每一层都根据具体需要选取相应的材料，例如基底层12的材料包括但不限于不锈钢材料，过渡层13的材料包括但不限于钛材料或铬材料，微电极层14的材料包括但不限于金材料，绝缘层15的材料包括但不限于聚酰亚胺材料。
74.可选的，基于本发明上述全部实施例，在本发明另一实施例中还提供了一种微电极结构的制备方法，用于制备上述任一实施例所述的微电极结构，采用半导体的加工方法完成，参考图5，图5为本发明实施例提供的一种微电极结构的制备方法的流程示意图。
75.该微电极结构的制备方法包括：
76.s101：如图6所示，提供一基底层12。
77.具体的，在该步骤中如图6所示首先提供一基底层12，之后可以对该基底层12的一侧表面进行抛光等处理，以保证后续制备膜层的稳定性。
78.s102：如图7和图8所示，在所述基底层12的一侧形成过渡层13，所述过渡层13具有凹槽131，所述凹槽131贯穿所述过渡层13。
79.具体的，在该步骤中如图7所示包括但不限定于通过光刻胶形成掩膜层16，暴露出准备形成微电极单元2的位置，之后如图8所示基于形成的掩膜层16对过渡层13进行刻蚀处理，使过渡层13具有贯穿自身的凹槽131，之后去除掩膜层16，形成所需的过渡层13。
80.s103：如图9所示，在所述过渡层13背离所述基底层12的一侧形成电极层14，所述电极层14覆盖所述凹槽131的底部和侧壁，以及覆盖所述过渡层13背离所述基底层12一侧的表面。
81.s104：如图10和图1所示，在位于所述凹槽131内且在所述凹槽131内电极层背离所述基底层的一侧形成绝缘层15，所述绝缘层15暴露出位于所述过渡层13背离所述基底层12一侧的部分电极层，形成多个微电极单元2；其中，多个所述微电极单元2阵列排布。
82.具体的，在该步骤中如图10所示首先旋涂印刷一层绝缘层15，之后如图1所示对绝缘层15进行刻蚀暴露出位于所述过渡层13背离所述基底层12一侧的部分电极层，形成多个微电极单元2。
83.通过上述描述可知，该多层复合结构的微电极结构11采用半导体加工工艺制备，该半导体加工工艺可以确保微尺寸高精度的加工和批量化一致性的量产。
84.也就是说，本发明实施例提出的微电极结构11中多个微电极单元2的阵列排布方式，不同于传统大尺寸的平板电极和小尺寸的针状电极，本发明实施例提出的微电极结构11中多个微电极单元2的阵列排布可以更加细化单个微电极单元2的尺寸，同时可以有效增加单位面积的微电极单元2的数量，可以使电场分布更加均匀。
85.并且多层复合结构的微电极结构11还可以增加微电极结构的附着稳定性，同时绝缘层15可以保证微电极阵列和目标的靶向接触。
86.进一步的，多层复合结构的微电极结构11采用半导体加工工艺制备，从而获得小尺寸高精度的微电极阵列，并且微电极阵列的均匀性和稳定性较好。
87.以上对本发明所提供的一种微电极结构及其制备方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
88.需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
89.还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间
存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
90.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。