一种植入式生物电极及其制造方法.pdf

本发明属于微制造技术领域，涉及一种植入式生物电极及其生物电极的制造方法。一种植入式生物电极，包括设置在Si基底或玻璃基底上的电极刺激点、位于工作端头部的电极记录点、位于电极连接端金属环、用于连接刺激点和端部金属环和形成记录点的金属微导线；电极的工作端，由生物相容性好的非降解高分子材料封装成椭圆柱状；电极的连接端，封装成圆柱状；刺激点分布于生物电极工作端椭圆柱面的上下两侧；记录点位于生物电极工作端的头部。一种植入式生物电极的制备工艺，包括以下步骤：1)在Si基底或玻璃基底上制作刺激点；2)将多股微导线在心轴上绕制成螺旋形微导线；3)连接微导线，放入封装模具，形成生物电极的工作端；4)依次套上连接端金属环，放入模具封装；5)修整，形成2个记录点，完成微生物电极。

1、  一种植入式生物电极，包括电极刺激点(3)、记录点(4)和连接端金属环(1)，其特征在于：电极刺激点(3)设置在Si基底或玻璃基底(6)上；由金属微导线直接封装形成电极记录点(4)；金属环(1)、刺激点(3)、电极记录点(4)由金属微导线(2)连接；生物电极的工作端由非降解高分子材料封装成椭圆柱状的绝缘层(5)；在生物电极的连接端，由非降解高分子材料封装成圆柱状，圆柱状与椭圆柱状之间的过渡面在金属微导线(2)和Si基底或玻璃基底(6)之间的连接处；呈阵列分布的刺激点(3)分布于生物电极工作端椭圆柱面的上下两侧面；记录点(4)设置于生物电极工作端的头部并伸出于头部。

2、  根据权利要求1所述的植入式生物电极，其特征在于，所述的金属微导线(2)由金属微导线铂铱合金或者不锈钢构成，为中空的螺旋形结构；其表面包裹一层绝缘层，其材料为高分子材料如聚氨酯、特氟龙或硅橡胶。

3.  根据权利要求1所述的植入式生物电极，其特征在于，所述的刺激点(3)由金属薄膜铂或者铂铱合金构成，所述刺激点(3)的表面低于绝缘层(5)。

4、  根据权利要求3所述的植入式生物电极，其特征在于，所述的刺激点(3)通过金属微导线(2)、电极连接端的金属环(1)和外电路的连接实现刺激点(3)和外电路的信号导通。

5、  根据权利要求1所述的植入式生物电极，其特征在于，所述的绝缘层(5)由非降解高分子材料聚氨酯、特氟龙或者硅橡胶构成。

6、  根据权利要求1所述的植入式生物电极，其特征在于，所述的金属环(1)至少为一件。

7、  根据权利要求1所述的植入式生物电极，其特征在于，所述的刺激点(3)至少为一处。

8、  一种植入式生物电极的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
1)在Si基底或玻璃基底(6)上用Si微加工技术MEMS加工具有金属薄膜结构的刺激点(3)和电路引线；
2)在心轴上将微导线绕制成管状的螺旋形金属微导线结构，多股导线相互绝缘；
3)用超声压焊Bonding或者电镀方法将金属微导线(2)的一端和Si基底或玻璃基底(6)上刺激点(3)的电路引线连接，将导线与心轴一起放入到封装模具中，将用于形成记录点4的微导线拉直固定在刺激点(3)的基底两侧，用热注塑或者常温注塑的方法封装形成生物电极的工作端；
4)在金属微导线(2)的另一端依次套上连接端金属环(1)，将与其连接的微导线拉到金属环附近，并与将要连接的金属环用焊接的方法进行连接，然后将其放入相应的模具中，用热注塑或者常温注塑的方法进行封装；
5)修整，去浇口，去心轴，将封装后用于形成记录点(4)的露出生物电极头部的2根微导线剪断，形成2个记录点(4)，完成植入式生物电极的制造。

一种植入式生物电极及其制造方法
技术领域
本发明属于微制造技术领域，特别涉及一种适于植入人体的生物电极及其生物电极的制造方法。
背景技术
现代医学中治疗比较严重的神经性疾病，如帕金森综合症、视神经障碍、听力神经障碍、瘫痪和严重的癫痫症等等，常采用的最有效的方式是通过外科手术在患者脑深部靶点位置植入电极，利用刺激器电池给电极供电，对患病部位进行长期刺激治疗。治疗成功的关键首先是术中靶点的位置是否准确。在手术前，可根据解剖关系经CT扫描定出手术靶点的具体位置。但是由于脑深部靶点大小、形状、方向多变，且存在个体及生理差异，依靠CT扫描定位的靶点准确性往往有一定偏差；而在脑组织中用电极记录细胞的电生理信号可以对靶点位置进行验证和纠正，因此在手术过程中根据电极的记录结果来确定靶点就比较重要。现临床上所用植入人体的刺激电极为毫米环状电极，如美敦力公司所生产的系列产品，共有4个刺激电极，其直径为1.26毫米，每个电极长为1.5毫米左右，由于其尺寸较大，在植入人体时易对组织造成较大损害；功耗较大，刺激器电池的使用寿命相对较短，频繁的更换电池增加了患者的痛苦；成本昂贵，仅单侧植入费用约为10万人民币左右；并且，该产品没有记录电极，植入电极的定位只能靠CT的粗定位和专用的微记录电极预先刺入电极的植入通道来精确定位，在定位后拔出记录电极，再植入刺激电极。这种方式可能会因为刺激电极在进行植入时位置发生偏差而导致治疗效果下降。
微电极记录到的放电细胞的多少与其电极的尺寸密切相关。尺寸较小的电极，阻抗较大(>1MΩ)，容易记录到单细胞的放电，甚至细胞内膜电位；尺寸较大的电极，阻抗较小(<10KΩ)时记录到的是多细胞放电的场电位。在脑组织中，脑神经元细胞尺寸不大于100微米，手术中使用的微电极，当电极尺寸小于20微米时，记录到的是为单细胞放电。每个细胞的放电特性(动作电位的大小和形状)不同，根据微电极记录到的单细胞放电特性，就可以计算出电极的刺激点3相对于靶点的精确位置。
在临床研究中，也有用刺激电极作为记录电极对细胞放电信号进行记录，但由于刺激电极尺寸比较大，其阻抗较小，记录的为场(多细胞)放电信号而并非单个细胞的放电信号，从而导致无法准确确定电极相对于细胞核团的位置、无法准确定位。随着硅微加工技术MEMS的发展，制造微电极和尺寸更小电极成为可能。国内外许多学者提出了不同的微电极结构及其制造方法。这些电极中也有同时具有刺激和记录的功能的结构，但是它们的位置位于电极的表面中间，只适合于植入后电极周围细胞电信号的记录。
发明内容
针对现有的微电极所存在尺寸较大阻抗较小的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种具有刺激和记录功能的尺寸较小阻抗较大的植入式生物电极。该生物电极可以分别提供刺激信号和记录细胞电信号，记录点位于电极的头部，其尺寸范围为5～20微米，植入时随着电极在脑组织内的推进，记录点首先接触到脑组织细胞，记录单个细胞的放电特性。根据被记录的单个细胞的放电特性，可以确定该细胞为什么位置的细胞，由此可计算出电极相对于靶点的位置，从而进行精确的定位。所提供的生物电极，可以为神经性疾病导致的行为障碍的康复治疗提供精确的定位植入和更好的治疗效果，可作为长期植入人体的刺激/记录电极。
本发明的技术方案如下：
一种植入式生物电极，包括电极刺激点、记录点和连接端金属环，电极刺激点设置在Si基底或玻璃基底上；由金属微导线直接封装形成电极记录点；金属环、刺激点、电极记录点由金属微导线连接；生物电极的工作端，由非降解高分子材料封装成椭圆柱状的绝缘层；在生物电极的连接端，由非降解高分子材料封装成圆柱状，圆柱状与椭圆柱状之间的过渡面在金属微导线和Si基底或玻璃基底之间的连接处；呈阵列分布的刺激点分布于生物电极工作端椭圆柱面的上下两侧面；记录点设置于生物电极工作端的头部并伸出于头部。
所述的金属微导线由金属微导线铂铱合金或者不锈钢构成，为中空的螺旋形结构；其表面包裹一层绝缘层，其材料为高分子材料如聚氨酯、特氟龙或硅橡胶。
所述的刺激点由金属薄膜铂或者铂铱合金构成，所述刺激点的表面低于绝缘层。
所述的刺激点通过金属微导线、电极连接端的金属环和外电路的连接实现刺激点和外电路的信号导通。
所述的绝缘层由非降解高分子材料聚氨酯、特氟龙或者硅橡胶构成。
所述的金属环至少为一件。所述的刺激点至少为一处。
一种植入式生物电极的制备工艺，包括以下步骤：
1)在Si基底或玻璃基底上用Si微加工技术MEMS加工具有金属薄膜结构的刺激点和电路引线；
2)在心轴上将微导线绕制成管状的螺旋形金属微导线结构，多股导线相互绝缘；
3)用超声压焊Bonding或者电镀方法将金属微导线的一端和Si基底或玻璃基底上刺激点的电路引线连接，将导线与心轴一起放入到封装模具中，将用于形成记录点的微导线拉直固定在刺激点的基底两侧，用热注塑或者常温注塑的方法封装形成生物电极的工作端；
4)在金属微导线的另一端依次套上连接端金属环，将与其连接的微导线拉到金属环附近，并与将要连接的金属环用焊接的方法进行连接，然后将其放入相应的模具中，用热注塑或者常温注塑的方法进行封装；
5)修整，去浇口，去心轴，将封装后用于形成记录点的露出生物电极头部的2根微导线剪断，形成2个记录点，完成植入式生物电极的制造。
本发明与现有技术相比，其带来的技术特点是：利用硅微加工技术MEMS制备的Si基底或玻璃基底上的刺激点电极，并利用封装技术在生物电极的头部形成记录点，整体尺寸较小，尽可能避免在外科植入时对组织的损伤；生产成本低，大大降低了外科手术植入的费用，有利于提高电极的治疗效果和实现电极的长期性植入使用。
附图说明
图1为本发明植入生物电极的整体结构示意图；
图2为本发明植入式生物电极的立体结构示意图；
图3为本发明植入式生物电极的工作端放大示意图；
图4为本发明植入式生物电极的工作端沿A-A方向的剖面图；
图中的标号分别表示：植入式生物电极的连接端金属环1；植入式电极的金属微导线2；植入式电极工作端的刺激点3；植入式电极工作端的记录点4；电极的绝缘层5；刺激点3的Si基底或玻璃基底6。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1、图2、图3、图4所示，本发明的植入式生物电极，分为连接端与工作端，连接段包括金属环1，工作端包括刺激点3和形成记录点4。连接端的金属环1，用于和外部脉冲器进行连接，其数量根据刺激与记录点4的数量而定，本实施例中采用6个，其材料选择生物相容性、导电性、耐腐蚀性好和强度较高的材料，如铂铱合金；金属微导线2，本实施例中使用6根，其中4根用于和Si基底或玻璃基底上的刺激点3相连接，剩余的2根用于形成记录点4；刺激点3和记录点4的数目可以根据被植入靶点的具体要求而定，工作端的刺激点3，由Si基底或玻璃基底6上的金属薄膜构成，其为双面结构，本实施例采用8个刺激点3(上下两侧各4个)，2个记录点4，记录点4位于生物电极的工作端头部顶端的两侧，由直径为微米级的金属微导线2直接形成，由于所记录的信号为单个细胞的信号，因此其尺寸范围为5～20微米，其材料选择为生物相容性、导电性、耐腐蚀性好的金属材料，如铂铱合金；为保证植入式电极的整体柔韧性，金属微导线2被绕制成中空的螺旋形，金属微导线2和连接端金属环1的连接可通过焊接而成，金属材料选择生物相容性、导电性、耐腐蚀性好的材料，如铂铱合金或不锈钢；金属微导线2和电极刺激点3之间的导通可以通过金属微导线2和刺激点3的电路引线用焊接、超声压焊Bonding或者电镀等方法进行。为保证绕制的金属微导线2的多股微导线之间的绝缘性，金属微导线的表面包裹一层绝缘层，绝缘层为生物相容性好的高分子材料如聚氨酯、特氟龙或硅橡胶，绝缘层5，用于封装除刺激点3、记录点4、连接端金属环外的所有表面，其材料的选择为具有好的生物相容性、强度和韧性的高分子非降解高分子材料，如医用级别的聚氨酯、硅橡胶和特氟龙等。
本实施例的具体实施过程如下：
1)在Si基底或玻璃基底6上用Si微加工技术MEMS加工具有金属薄膜结构的刺激点3和电路引线；
2)在一根心轴上缠绕6根5-20微米的带绝缘层的金属微导线形成螺旋形的金属微导线2，绕好线后，两端露出预留长度的引线分别用于和连接端金属环1、工作端刺激点3的连接及记录点4的制作；
3)将绕好的螺旋金属微导线2的一端其中的4根与工作端刺激点3的电路引线部位用焊接、超声压焊Bonding或者电镀等方法进行连接，然后将其放入封装模具中，将用于做记录点4的2根金属微导线2拉直固定在刺激点3的Si基底或玻璃基底6两侧，然后用热注塑或者常温注塑的方法封装形成生物电极的工作端。生物电极工作端封装的形状为椭圆柱状，刺激点3分布于生物电极工作端椭圆柱面的上下两侧，呈阵列分布，所述刺激点3的表面低于绝缘层5。
4)在螺旋形金属微导线2的另一端依次套上6件连接端的金属环1，将与其连接的6根金属微导线2拉出到将要连接的金属环1附近，并与将要连接的金属环1用焊接的方法进行连接后，将其放入相应的模具中，用热注塑或者常温注塑的方法、用绝缘层5进行封装，封装形状为圆柱状。
5)修整，去浇口，去心轴，将封装后用于形成记录点4的露出生物电极头部的2根金属微导线剪断，形成2个记录点4，完成植入式生物电极的制造。
本发明的生物电极在使用时，生物电极的工作端被植入脑内的靶点位置，电极的连接端被固定在耳朵后面的皮下，与植入胸部皮下的脉冲发生器的电路引出线相连接，脉冲发生器产生的电信号通过植入电极的连接端被直接送到植入生物电极的工作端。