一种三维柔性神经微电极及制作方法.pdf

本发明公开了一种三维柔性神经微电极及其制作方法，该微电极利用柔性聚合物作为基底材料，通过金属种子层的环状图案设计，进行递进式电镀，形成具有圆滑三维凸起特征的电极位点结构，该结构既可保证电极位点与神经细胞的良好接触，同时又可避免现有三维神经微电极中凸起电极位点的锐利棱角对神经组织的损伤。另外，在电镀过程中通过复合电镀工艺，即电镀液中添加纳米级分散剂，使电极表面形成亚微米级的微孔结构，增加电极位点的表面积，从而增强电极的电流输出能力，保证神经微电极在生物安全性条件限制下的有效刺激。本发明提供的三维柔性神经微电极可广泛应用于神经疾病治疗、神经康复、神经生物学基础研究等领域。

权利要求书
1.  一种三维柔性神经微电极，其特征在于：1)包含至少一个电极位点区域、一个连线区域和一个焊接点区域；2)微电极的基底材料为聚合物材料；3)电极位点区域包含至少一个具有圆滑三维凸起特征的金属电极位点；4)电极位点表面具有粗糙微孔结构。

2.  根据权利要求1所述的微电极，其特征在于：1)作为微电极的基底材料的聚合物是聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、SU-8或聚对二甲苯；2)基底材料层的厚度在1微米至500微米之间。

3.  根据权利要求1所述的微电极，其特征在于：1)电极位点三维凸起特征为圆锥塔型或多边形塔型；2)电极位点塔型结构的棱角为圆滑倒角。

4.  根据权利要求1所述的微电极，其特征在于：电极位点表面微孔结构的平均孔径介于1纳米至10微米之间。

5.  制作如权利要求1三维柔性神经微电极的方法，其特征在于利用具有柔性的聚合物作为基底材料，并通过递进式电镀工艺或复合电镀工艺，形成具有圆滑三维凸起特征和微孔表面的电极位点结构。

6.  根据权利要求5所述的三维柔性神经微电极制作方法，其特征在于制作步骤是：
1)利用旋涂或真空沉积技术结合光刻和等离子刻蚀工艺制作聚合物基底层；
2)通过溅射、剥离工艺在基底材料上制作金属种子层，金属种子层厚度为100埃至2微米之间；
3)通过电镀工艺或复合电镀工艺制作电极位点三维凸起结构，电镀金属结构高度为1微米至1000微米之间；
4)利用旋涂或真空沉积制作聚合物绝缘层，绝缘层厚度为100埃至100微米之间。

7.  根据权利要求6所述的三维柔性神经微电极制作方法，其特征在于所述的金属种子层为环状排布，利用电镀金属层的各向同性生长来实现递进式的电镀，形成三维塔形凸起结构。

8.  根据权利要求5或6所述的三维柔性神经微电极制作方法，其特征在于：1)电镀金属材料为镍、银、锌、金、铜、铬或铂；2)电镀金属层至少包含以上一种金属材料。

9.  根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于：1)在电镀液中添加纳米级分散剂，采用复合电镀工艺制作电极位点；2)分散剂为镍、铝、铬和钨中任意一种金属粉末，或为石墨、Al2O3、TiO2，ZrO2、MoS2和BN无机颗粒中的任意一种。

10.  根据权利要求9所述的三维柔性神经微电极制作方法，其特征在于所述分散剂的粒径为10纳米至500纳米之间。

说明书一种三维柔性神经微电极及制作方法
技术领域
本发明涉及一种三维柔性神经微电极及制作方法，可应用于神经疾患治疗、神经生物学基础研究等领域。
背景技术
神经工程系统是目前一个非常活跃且发展迅速的研究领域，比如脑-机接口、神经假体等问题受到越来越多的关注。在神经工程系统中，最关键的部件就是神经-电子接口，即电极，它的功能主要表现为两种形式：一种是将神经活动转换为电信号被记录下来进行分析研究，一种是利用电信号激励或抑制神经活动以实现功能性电刺激(functional electrical stimulation，FES)。在神经组织和探测仪器之间建立有效和谐接口是一项极具挑战性的任务。由于神经细胞体尺寸非常小，其直径通常在10μm至50μm之间，利用常规的宏观电极对神经活动进行探测非常困难，因此需要加工尺度在微米级的微型电极。传统的研究方法是利用尖端金属丝或微玻璃管进行记录或刺激，但是，这类电极加工起来比较困难，对操作者个人技巧依赖性比较大，且难以大批量制作。随着微电子技术和微加工能力的进步，人们开始将微机电系统(Micro-electro-mechanical system，MEMS)技术引入到神经工程领域以克服该领域研究中的障碍，通过微加工工艺可以很容易制作尺寸与神经细胞相当的微电极，从而可使电极与单个或少数的神经细胞作用，以获得更可靠的记录结果和更有效的刺激效果。
目前，基于MEMS技术的植入式微电极从基质材料上可以大致分为柔性和刚性两类。刚性微电极主要是基于硅基材料，比如基于硅基的平面阵列电极、2-D杆状和3-D针状电极等，这类电极主要用于体外刺激和记录固定的生物组织，或体内大脑皮层刺激。这类电极中最具代表性的就是美国Utah大学Normann教授等人研制的基于硅基材料的三维微阵列针型微电极，这种电极已由Cyberkinetics公司推向市场，并已开始在脑-机接口研究领域得到应用[Jones KE，Campbell PK，Normann RA.A glass/silicon compositeintracortical electrode array.Annal of Biomedical Engineering，1992，20：423.]。基于硅基底材料的微电极显示了很好的生物相容性，而且具有与CMOS的微电子加工工艺兼容的优势；但是硅基底微电极也具有明显的缺陷，即表现为机械刚性，且较脆，当被植入体处于运动状态时容易导致严重的组织损伤或植入失败；另外，国际上也有一些研究小组采用钨、铂铱合金等金属微丝制作植入式微电极[Takahashi H，Suzurikawa J，Nakao M，Mase F，Kaga K.Easy-to-prepare assembly array of Tungsten microelectrodes.IEEE TransBiomed Eng.，2005，52(5)：952-956.]，这类微电极虽然具有较好的机械强度，但是难以与标准微加工工艺兼容，加工制作过程复杂、繁琐，一致性较差，且电极的刚性也会严重地损伤组织或者由于组织的移位而失去功能。因此为了减小电极对生物组织的损伤，以及保证记录或刺激电极与神经束的良好接触，越来越多的研究者开始采用聚合物作为基底材料来制作柔性植入式微电极。
不过，目前国际上基于聚合物材料制作柔性微电极的工艺并不完备，加工的结构也相对比较简单。一般采用传统的平面加工工艺：(1)在硅基片上甩涂，固化一层聚合物；(2)在该层聚合物上通过溅射，Lift-off制作金属层图形；(3)在所得的结构上甩涂聚合物，并刻蚀出电极刺激点。通过这种工艺制作出的电极是平板三明治形式的(金属层夹在聚合物之间)，用于工作的电极刺激点是凹进的，这样的结构使得电极刺激点无法与神经很好的接触，从而影响了神经刺激或信号记录的效果。为了改变这种状况，有人采用在上述平板三明治结构微电极的基础上再电镀的方法制作凸起电极[Hung A，Zhou D，Greenberg R，Judy JW.Micromachined Electrodes for High DensityNeural Stimulation Systems.In，the 15th IEEE International Conference onMicro Electro Mechanical Systems，2002，pp.56-59.]，但是这种方法利用光刻胶图形限制电极点的金属电镀生长，电镀后去除光刻胶所形成的电极点棱角边缘较为锐利，植入后容易划伤神经细胞。
另外，作为刺激电极，电极输出的刺激电流大小是一个非常重要的参数，只有刺激电流超过阈值才能产生刺激效果。一般来说，为了避免电极与电解质溶液界面产生不可逆的电化学反应，通过电极的电流密度不能太高，这样在限制电流密度的情况下，电极输出电流的大小就与其面积成正比。但是电极平面面积过大又会影响其刺激的选择性。为了增加刺激电极的输出电流，同时又不降低其选择性和密度，有人通过在电极表面制作铂黑来达到这一目的，电极表面结合铂黑颗粒可以在保持电极平面面积不变的前提下增加电极的表面积，从而增强其输出电流的能力。但是，铂黑与电极表面结合非常弱，极易从电极表面剥落，不适于植入操作。也有人通过在电极表面生长碳纳米管束来增加电极的表面积[Wang K，Fishman HA，Dai H，Harris JS.NeuralStimulation with a Carbon Nanotube Microelectrode Array.Nano Lett.，2006，6(9)：2043-2048.]，实现电流输出能力的增强。但是该方法中电极表面碳纳米管的生长需要700℃-800℃的高温条件下完成，不适于聚合物柔性电极的制作。
本发明设想提供的一种三维柔性神经微电极，试图通过独特的递进式电镀工艺，在聚合物基底上加工制作具有圆滑三维凸起特征和高电流输出能力的柔性微电极，以实现对神经的有效、选择性刺激，且电极位点无锐利棱角，可避免电极植入后对周围组织的划伤。该电极具有理想的电学特性和良好生物相容性，适于在神经组织和外部电子设备仪器之间建立有效和谐的接口，尤其对于利用微电极芯片实现人工视觉修复研究具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种三维柔性神经微电极及制作方法，具体地说本发明是通过在聚合物机电材料上制作具有圆滑棱角和微孔表面的电极位点结构，以改善植入后电极位点与神经细胞的接触状况，保证神经微电极在生物安全性条件限制下的有效刺激，同时又避免现有一些三维神经微电极中电极位点的锐利棱角对神经组织的损伤。
本发明提供的一种三维柔性神经微电极，其特征在于：1)包含至少一个电极位点区域、一个连线区域和一个焊接点区域；2)微电极的基底材料为聚合物材料；3)电极位点区域包含至少一个具有圆滑三维凸起特征的金属电极位点；4)电极位点表面具有粗糙的微孔结构。其中，作为微电极的基底材料的聚合物可以是聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、SU-8或聚对二甲苯，其厚度可在1微米至500微米之间；电极位点的三维凸起特征为圆滑倒角的圆锥塔型或多边形塔型；电极位点塔形结构的棱角为圆骨倒角。电极位点表面微孔结构平均孔径可在1纳米至10微米之间。电极位点塔形结构的棱角为圆滑倒角。本发明提供的三维柔性神经微电极的制作方法，该方法包括：1)利用旋涂或真空沉积技术制作聚合物基底层，聚合物基底层的厚度为1微米至500微米之间；2)通过溅射、Lift-off(剥离)工艺在基底材料上制作金属种子层，金属种子层厚度为100埃至2微米之间；3)通过电镀工艺制作电极位点三维凸起结构，电镀金属结构高度为1微米至1000微米之间；4)利用旋涂或真空沉积制作聚合物绝缘层，绝缘层厚度为100埃至100微米之间。其中，电镀制作电极位点的金属种子层为环状排布，利用电镀金属层的各向同性生长来实现递进式的电镀，形成三维塔形凸起结构；电镀金属材料可为镍、银、锌、金、铜、铬或铂；电镀金属层至少包含以上一种金属材料；电镀过程中，电镀液中添加纳米级分散剂，采用复合电镀工艺制作表面粗糙微孔电极位点；分散剂可以为镍、铝、铬、钨粉等金属粉或石墨、Al2O3、TiO2，ZrO2、MoS2、BN等无机颗粒，纳米颗粒粒径为10纳米至500纳米之间。本发明利用具有柔性的聚合物作为基底材料，并通过递进式电镀工艺和复合电镀工艺，形成具有圆滑三维凸起特征和微孔表面的电极位点结构，该结构既可实现电极位点与神经细胞的良好接触，保证电极位点在生物安全性条件限制下对目标神经的有效刺激，又避免了现有一些三维神经微电极中电极位点的锐利棱角对神经组织的损伤。
具体而言，首先通过旋涂或真空沉积结合光刻和等离子刻蚀制作聚合物基底层，聚合物材料可以为聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、SU-8或聚对二甲苯，基底层的厚度可在1微米至500微米之间。然后利用光刻、溅射、Lift-off工艺在基底材料上制作电镀金属种子层，其中用于电镀生长电极位点的金属种子层为环状图案设计；通过这种金属种子层的环状图案排布，利用电镀金属层的各向同性生长实现递进式电镀工艺，形成具有圆滑三维凸起特征的电极位点结构，该结构既可保证电极位点与神经细胞的良好接触，同时又可避免现有一些三维神经微电极中电极位点的锐利棱角对神经组织的损伤。另外，电镀过程中通过在电镀液中添加纳米级分散剂，采用复合电镀工艺，使电极表面形成亚微米级的微孔结构，增加电极位点的表面积，从而增强电极的电流输出能力，保证神经微电极在生物安全性条件限制下的有效刺激，所添加分散剂可以为金属粉(如镍、铝、铬、钨粉等)或无机颗粒(如石墨、Al2O3、TiO2，ZrO2、MoS2、BN等)。最后通过旋涂或真空沉积结合光刻和等离子刻蚀制作上层聚合物绝缘层，聚合物材料可以为聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、SU-8或聚对二甲苯，基底层厚度可在1微米至500微米之间。
附图说明
图1为本发明实施例提供的三维柔性神经微电极结构示意图
图2为图1电极位点区域1局部放大立体示意图
图3为图2单个电极位点4局部放大示意图
图4为图2单个电极位点4递进式电镀生长剖面示意图
图5为实现图4递进式电镀生长底部金属电镀种子层示意图
图6为图3电极位点表面SEM(Scanning Electron Microscope)照片
具体实施方式
实施例1
本发明提供的三维柔性神经微电极如图1所示，包含电极位点区域1、连线区域2和焊接点区域3。电极位点区域1包含多个电信号刺激或记录金属电极位点4(如图2所示)。每个电信号刺激或记录金属电极位点都具有三维凸起特征，且结构棱角为圆滑倒角(如图3所示)。图3所示具有三维圆滑凸起特征的电极位点结构通过递进式电镀工艺实现(如图4所示)：首先在聚合物基底材料上溅射沉积环状金属电镀种子层(如图5所示)，并仅使中心金属电镀种子层5连通电源，而其余周围环带金属种子层6悬空，由于电镀过程中金属生长具有各向同性，所以中心电镀种子层上金属向上生长的同时也横向生长，当中心电镀种子层生长的金属横向扩展到邻近的环带种子层并与其接触时，就会使其与电镀电源导通，开始该种子层上的电镀过程，如果电镀过程继续，新生长的金属会使更外围的环带种子层导通开始其电镀过程，这样电镀过程就这样由中心向外围逐级递进，最终形成具有圆滑凸起特征的三维外形7。另外电镀过程中，电镀液中添加纳米级金属粉，可使电镀金属表面形成微孔结构(图6)，金属表面的微孔结构大大增加了电极位点的表面积，从而达到增强电极电流输出能力，改善微电极的刺激效果。