一种悬空、柔性微电极阵列器件及制造方法和应用

本发明涉及生物工程，具体涉及一种悬空、柔性微电极阵列器件及制造方法和应用。

背景技术：

1、药物开发是一个漫长的过程，耗费巨大的成本且具有高失败率。由于动物模型无法完全模拟人体受药物作用的正确反应，临床前被证实有效的药物，约有92％无法通过临床试验。人体中存在许多细胞具备电生理特性，例如：心肌细胞、神经细胞等。基于体外细胞的电生理技术可有效测试药物对细胞的作用规律。微电极阵列由于其具备高分辨率、小尺寸等优势在细胞的体外场电位信号检测方面具备十分强大的优势。

2、在传统的工程化组织电生理信号检测方面，通常在刚性基板上结合成熟的半导体技术实现微电极阵列制造，但由于在刚性基底和人体组织环境模量差距过大，在刚性基底上培养的细胞难以和电极形成良好的贴合，造成机械失配，从而导致细胞和电极无法长期紧密接触，易从电极表面脱落。近年来，针对细胞和电极的贴合问题，微电极阵列的刚性电极向柔性电极的转变趋势可以很好的解决这一问题，通过采用水凝胶、pdms等杨氏模量仅在几kpa和几mpa的材料作为基底，在其上方进行场电位信号检测，有利于还原细胞在体内的电生理信号。

3、然而，在微观结构上，由于这些柔性基底无法为部分细胞，例如肌肉细胞，提供良好的地形诱导以及机械环境，导致细胞生长取向无序，难以真正模拟体内真实的结构和机械环境。因此，需要在体外构建低刚度的柔性电极保证细胞和电极之间接触良好的同时，又能实现工程化组织的三维培养和有序生长，促进体外细胞培养的高成熟度，需要一种新的微电极阵列器件。

技术实现思路

1、针对上述的难点，本发明目的在于构建一种悬空、柔性微电极阵列器件及制造方法和应用，不但能为工程化组织提供三维培养、有序生长的结构和机械环境，而且能通过柔性电极跟随细胞收缩运动，解决心肌组织场电位信号长期检测困难的问题。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一种悬空、柔性微电极阵列器件的制造方法，其包括如下步骤：

4、步骤1：制造框架结构，所述框架结构具有培养槽；

5、步骤2：采用热塑性聚合物材料，通过熔融电纺工艺制造载体纤维阵列，所述载体纤维阵列悬空排列于培养槽上；

6、步骤3：通过溅射工艺沉积图案化的金属层，所述金属层沉积于载体纤维表面并延伸至框架结构表面形成导电网络；

7、步骤4：通过喷雾工艺于金属层上沉积图案化的绝缘层，选择性暴露位于载体纤维表面的部分金属层作为电极、位于框架结构表面的部分金属层作为焊盘，构建微电极阵列；

8、步骤5：通过静电纺丝工艺，于培养槽的微电极阵列上制造有序纤维支架。

9、可选的，步骤1中，所述框架结构采用熔融沉积工艺制造，将热塑性聚合物材料加热至熔融状态，喷头内径为0.1～2mm，熔融温度为100～300℃，喷头移动速度为30～300mm/s，挤出压力为20～250kpa。熔融沉积的热塑性聚合物材料包括但不限于聚乳酸(pla)、聚己内酯(pcl)、热塑性聚氨酯弹性体(tpu)中的一种。

10、可选的，步骤2中，所述热塑性聚合物材料为聚乳酸、聚己内酯、热塑性聚氨酯弹性体中的一种；所述熔融电纺工艺的条件为：喷头内径为0.1～1mm，熔融温度为100～300℃，喷头移动速度为150～300mm/s，挤出压力为20～250kpa，熔融电纺电压为1～8kv，喷头和收集板间距为1～5mm。

11、可选的，所述载体纤维阵列中，载体纤维的直径范围为5-100μm，间距为300-1000μm。

12、可选的，沿所述载体纤维的延伸方向，所述金属层于各载体纤维上形成间隔的两个区段；两区段相背的末端分别延伸至所述框架结构表面，相对的末端暴露于所述绝缘层下，以于各所述载体纤维上形成两个电极。

13、可选的，所述金属层为增粘层/导电层的叠层，所述增粘层的材料为ti，所述导电层的材料为pt、au中的一种。增粘层的厚度范围为3-8nm，导电层的厚度范围为200-300nm。

14、可选的，所述绝缘层选择具备生物相容性的绝缘材料，包括乙基纤维素(ec)、聚酰亚胺(pi)、聚乙烯醇醚(peg)中的一种；将绝缘层材料溶于有机溶剂中形成喷雾溶液，所述喷雾工艺为静电喷雾工艺，针头内径为0.11mm，接收距离为5～20cm，溶液推进速度为100～2000μl/h，喷头处电压为5～30kv。

15、喷雾溶液的有机溶剂包括但不限于无水乙醇、二甲基甲酰胺、丙酮中的一种或几种混合溶剂；喷雾溶液中绝缘层材料的含量为1～5wt％。

16、可选的，所述有序纤维支架的材料包括聚己内酯(pcl)、聚乳酸(pla)、热塑性聚氨酯弹性体(tpu)、聚酰亚胺(pi)中的至少一种；将有序纤维支架材料和有机溶剂混合形成电纺溶液，所述静电纺丝工艺的条件为：针头内径为0.25mm，喷头处电压为5～30kv，溶液推进速度为100～1000μl/h，接收距离为10～30cm。

17、电纺溶液的有机溶剂包括但不限于冰醋酸、氯仿、二甲基甲酰胺、丙酮中的一种或几种混合溶剂；电纺溶液中有序纤维支架材料的含量为15～25wt％。

18、可选的，所述金属层和绝缘层分别采用相应的掩膜版实现图案化沉积。改变电极材料以及制造工艺参数可以构建不同刚度、不同尺度的微电极。

19、由上述的悬空、柔性微电极阵列器件的制造方法制造的悬空、柔性微电极阵列器件，其包括框架结构，所述框架结构具有培养槽，培养槽中设有悬空、柔性的微电极阵列，微电极阵列上设有有序纤维支架。

20、上述的悬空、柔性微电极阵列器件在心肌细胞培养中的应用，其中通过所述微电极阵列检测心肌细胞的场电位信号。

21、本发明的有益效果为：

22、本发明提供了一种悬空、柔性微电极阵列器件的制造方法，利用悬空熔融电纺制造柔性、微米尺度的悬空纤维作为电极载体；在载体纤维阵列上通过溅射工艺和静电喷雾工艺分别图案化制造金属层和绝缘层结构，最终实现电极和焊盘的选择性暴露。制备的悬空、柔性微电极阵列器件能够在细胞体外培养过程中长期保证电极和细胞的贴合，实现场电位信号长期检测，又能够保证细胞在培养过程中实现三维、有序生长，根据不同细胞的生长需求，构建相对应的体内生理结构和机械环境；解决细胞体外培养三维定向排布困难问题和场电位信号长期检测困难的问题，具有十分广阔的应用前景；本发明制造方法无需牺牲材料、制备流程简单高效，同时可使用单一掩模板制造不同尺寸要求的电极，降低制造掩模版所需的成本，具有广阔的应用前景。

技术特征：

1.一种悬空、柔性微电极阵列器件的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的悬空、柔性微电极阵列器件的制造方法，其特征在于：步骤1中，所述框架结构采用熔融沉积工艺制造，将热塑性聚合物材料加热至熔融状态，喷头内径为0.1～2mm，熔融温度为100～300℃，喷头移动速度为30～300mm/s，挤出压力为20～250kpa。

3.根据权利要求1所述的悬空、柔性微电极阵列器件的制造方法，其特征在于：步骤2中，所述热塑性聚合物材料为聚乳酸、聚己内酯、热塑性聚氨酯弹性体中的一种；所述熔融电纺工艺的条件为：喷头内径为0.1～1mm，熔融温度为100～300℃，喷头移动速度为150～300mm/s，挤出压力为20～250kpa，熔融电纺电压为1～8kv，喷头和收集板间距为1～5mm。

4.根据权利要求1所述的悬空、柔性微电极阵列器件的制造方法，其特征在于：所述载体纤维阵列中，载体纤维的直径范围为5～100μm，间距为300～1000μm。

5.根据权利要求1所述的悬空、柔性微电极阵列器件的制造方法，其特征在于：沿所述载体纤维的延伸方向，所述金属层于各载体纤维上形成间隔的两个区段；两区段相背的末端分别延伸至所述框架结构表面，相对的末端暴露于所述绝缘层下，以于各所述载体纤维上形成两个电极。

6.根据权利要求1所述的悬空、柔性微电极阵列器件的制造方法，其特征在于：所述金属层为增粘层/导电层的叠层，所述增粘层的材料为ti，所述导电层的材料为pt、au中的一种。

7.根据权利要求1所述的悬空、柔性微电极阵列器件的制造方法，其特征在于：所述绝缘层的材料为乙基纤维素、聚酰亚胺、聚乙烯醇醚中的一种；将绝缘层材料溶于有机溶剂中形成喷雾溶液，所述喷雾工艺为静电喷雾工艺，针头内径为0.11mm，接收距离为5～20cm，溶液推进速度为100～2000μl/h，喷头处电压为5～30kv。

8.根据权利要求1所述的悬空、柔性微电极阵列器件的制造方法，其特征在于：所述有序纤维支架的材料包括聚己内酯、聚乳酸、热塑性聚氨酯弹性体、聚酰亚胺中的至少一种；将有序纤维支架材料和有机溶剂混合形成电纺溶液，所述静电纺丝工艺的条件为：针头内径为0.25mm，喷头处电压为5～30kv，溶液推进速度为100～1000μl/h，接收距离为10～30cm。

9.由权利要求1～8任一项所述的悬空、柔性微电极阵列器件的制造方法制造的悬空、柔性微电极阵列器件，其特征在于：包括框架结构，所述框架结构具有培养槽，培养槽中设有悬空、柔性的微电极阵列，微电极阵列上设有有序纤维支架。

10.权利要求9所述的悬空、柔性微电极阵列器件在心肌细胞培养中的应用，其特征在于：通过所述微电极阵列检测心肌细胞的场电位信号。

技术总结
本发明涉及生物工程技术领域，具体提出一种柔性、悬空微电极阵列器件的制造方法，其制造具备培养槽的器件框架，并通过悬空熔融电纺工艺在培养槽上方打印悬空、有序载体纤维阵列，进行载体纤维上电极的金属层图案化溅射，接着使用静电喷雾的方式在金属层表面形成图案化绝缘层，最后集成静电纺丝的有序纤维支架作为细胞培养支架。制备的悬空、柔性微电极阵列器件能够在细胞体外培养过程中长期保证电极和细胞的贴合，实现场电位信号长期检测。本发明制造方法无需牺牲材料、制备流程简单高效，降低成本，具有广阔的应用前景。

技术研发人员：孙道恒,薛命铖,章王子涵,金航,吴汇权,许丰,陈松月,何功汉
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/19