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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201710244916.5 (22)申请日 2017.04.14 (71)申请人 上海交通大学 地址 200240 上海市闵行区东川路800号 (72)发明人 隋晓红 朱丰源 王逸林 朱璟然 (74)专利代理机构 上海旭诚知识产权代理有限 公司 31220 代理人 郑立 (51)Int.Cl. A61B 5/04(2006.01) A61N 1/05(2006.01) A61L 31/02(2006.01) (54)发明名称 一种基于碳纳米管线的植入式神经电极 (57)摘要 本。
2、发明公开了一种基于碳纳米管线的植入 式神经电极， 涉及医疗器械领域， 包括暴露部分 和绝缘部分， 所述暴露部分与所述绝缘部分来源 于同一根碳纳米管线电极， 所述暴露部分的碳纳 米管线电极直接暴露， 所述绝缘部分的碳纳米管 线电极被绝缘层包裹； 所述暴露部分用于神经电 信号的记录或者对神经组织进行电刺激。 该发明 公开的神经电极尺寸小， 具有柔性结构且紧密地 与神经元接触， 这种设置能够降低对神经组织造 成的机械损伤， 有利于实现长期稳定的体内植 入。 神经电极使用的碳纳米管材料具有电荷注入 能力高的优点， 使用小尺寸碳纳米管线的神经电 极既能够实现高信噪比的神经电信号记录， 又能 够实现局部神。
3、经电刺激， 提高了神经电极电刺激 的空间选择性。 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 CN 106963358 A 2017.07.21 CN 106963358 A 1.一种基于碳纳米管线的植入式神经电极， 其特征在于， 包括暴露部分(1)和绝缘部分 (2)， 所述暴露部分(1)与所述绝缘部分(2)来源于同一根碳纳米管线电极， 所述暴露部分 (1)的碳纳米管线电极直接暴露， 所述绝缘部分(2)的碳纳米管线电极被绝缘层包裹； 所述 暴露部分(1)用于神经电信号的记录或者对神经进行电刺激。 2.如权利要求1中所述的基于碳纳米管线的植入式神经电极， 其特征在于， 所述神经电 极的材料为碳纳米管线。
4、， 所述碳纳米管线的直径为100nm-100 m。 3.如权利要求2中所述的基于碳纳米管线的植入式神经电极， 其特征在于， 所述碳纳米 管线由多条直径为0.1nm-10nm的单根碳纳米管拉制而成。 4.如权利要求1中所述的基于碳纳米管线的植入式神经电极， 其特征在于， 所述暴露部 分(1)的碳纳米管线电极长度范围是1 m-1mm。 5.如权利要求1中所述的基于碳纳米管线的植入式神经电极， 其特征在于， 所述绝缘部 分(2)的绝缘层材料为C型聚对二甲苯或者医用硅胶。 6.如权利要求5中所述的基于碳纳米管线的植入式神经电极， 其特征在于， 所述绝缘部 分(2)的绝缘层厚度为1 m-5 m。 7.如。
5、权利要求1中所述的基于碳纳米管线的植入式神经电极， 其特征在于， 所述植入式 神经电极的神经植入载具是具有尖端的刚性固体结构， 如钨丝、 不锈钢丝。 8.如权利要求1-7中任一项所述的基于碳纳米管线的植入式神经电极， 其特征在于， 所 述植入式神经电极的记录方式为差动式记录或者非差动式记录。 9.如权利要求1-7中任一项所述的基于碳纳米管线的植入式神经电极， 其特征在于， 所 述植入式神经电极是单通道电极或者多通道电极阵列。 10.如权利要求1-7中任一项所述的基于碳纳米管线的植入式神经电极， 其特征在于， 所述植入式神经电极的刺激方式为单极电刺激或者双极电刺激。 权 利 要 求 书 1/1 。
6、页 2 CN 106963358 A 2 一种基于碳纳米管线的植入式神经电极 技术领域 0001 本发明涉及医疗器械领域， 尤其涉及一种基于碳纳米管线的植入式神经电极。 背景技术 0002 作为生物神经系统与人工电子设备的物理通道， 植入式神经电极的性能直接决定 了生物神经电信号的采集和神经电刺激的长期可靠性。 神经电极的设计考虑因素主要包括 材料的生物相容性与生物安全性、 电极的力学与电化学稳定性、 以及制作工艺的重复性等。 0003 传统的针对外周和中枢神经组织的植入式神经电极多采用聚合物、 铂、 铱或硅的 材料， 尽管已经可以实现电极的功能， 但是难以做到高生物相容性、 柔性(即低机械损。
7、伤 性)、 高信噪比和高电荷注入能力的统一。 其中， 电极的柔性是一个巨大的问题， 柔性极大地 影响电极与神经纤维之间的相对运动， 电极的柔性越高， 电极与神经纤维之间的相对运动 越少， 造成的机械损伤越小， 有利于神经组织的再生和提高神经信号的信噪比。 电极越细， 弯曲模量越小则柔性越好； 然而电极粗细受到材料本身电化学性质和机械性质的影响， 普 通材料过细容易断裂且会提高阻抗， 不利于电极实施电刺激。 因此， 研制兼具优越的柔性、 电化学特性和生物相容性的新型电极是实现长期稳定的神经电信号记录或刺激的关键。 0004 经对现有技术的文献检索发现， Cutrone等人在Journal of 。
8、Neural Engineering (神经工程期刊， 12(2015)016016)上发表的 “A three-dimensional self-opening intraneural peripheral interface(SELINE)” (三维自固定的外周神经接口)， 该文提出 一种基于聚酰亚胺材料的可固定在外周神经束内的神经电极。 具体设计思路为： 通过宽度 为150 m的结构， 在体将宽度为360 m的电极阵列固定在外周神经束内。 该电极阵列的基底 材料为聚酰亚胺， 金作为电极材料。 其不足在于： 生物体在自由运动的过程中， 由于聚酰亚 胺基底材料的柔性不足， 因此将导致该电极阵。
9、列会直接引起神经束内的神经纤维的机械损 伤， 无法实现长期有效的神经电信号记录或者刺激。 同时， 由于金作为电极材料的电荷注入 能力差， 在用作刺激电极时， 容易发生电化学腐蚀， 无法长期用作刺激电极。 发明内容 0005 有鉴于现有技术的上述缺陷， 本发明所要解决的技术问题是现有的神经电极难以 同时有高生物相容性、 低机械损伤性、 高信噪比和高电荷注入能力， 无法实现长期有效的对 生物电信号进行采集与输出的问题。 0006 有鉴于现有技术的上述缺陷， 本发明提供一种基于碳纳米管线的植入式神经电 极， 包括暴露部分1和绝缘部分2， 所述暴露部分1与所述绝缘部分2来源于同一根碳纳米管 线电极， 。
10、所述暴露部分1的碳纳米管线电极直接暴露， 所述绝缘部分2的碳纳米管线电极被 绝缘层包裹； 所述暴露部分1用于神经电信号的记录或者对神经进行电刺激。 0007 进一步地， 所述神经电极的材料为碳纳米管线， 所述碳纳米管线的直径为100nm- 100 m。 0008 进一步地， 所述碳纳米管线由多条直径为0.1nm-10nm的单根碳纳米管拉制而成。 说 明 书 1/4 页 3 CN 106963358 A 3 0009 进一步地， 所述暴露部分1的碳纳米管线电极长度范围是1 m-1mm。 0010 进一步地， 所述绝缘部分2的绝缘层材料为C型聚对二甲苯(Parylene-C)或者医用 硅胶(Sil。
11、icone)。 0011 进一步地， 所述绝缘部分2的绝缘层厚度为1 m-5 m。 0012 进一步地， 所述植入式神经电极的神经植入载具是具有尖端的刚性固体结构， 如 钨丝、 不锈钢丝。 0013 进一步地， 所述植入式神经电极的记录方式为差动式记录或者非差动式记录， 所 述差动式记录是指通过两个相邻的碳纳米管线电极实现两通道的神经电信号的差动记录， 消除共模的背景噪声干扰， 提高信噪比。 0014 进一步地， 所述植入式神经电极是单通道电极或者多通道电极。 0015 进一步地， 所述植入式神经电极的刺激方式为单极电刺激或者双极电刺激， 所述 单极电刺激指的是回收电极(return elec。
12、trode)尺寸大于刺激电极尺寸， 并且距离刺激电 极超过1厘米的刺激方式， 所述回收电极与刺激电极形成一个回路； 所述双极电刺激指的是 两个距离在几十微米至数毫米的刺激电极共同使用的刺激方式。 0016 进一步地， 所述植入式神经电极能够用于外周或者中枢神经系统组织。 0017 进一步地， 所述植入式神经电极的植入指的是所述暴露部分1完全置于外周神经 束内或者中枢神经组织内部。 0018 与现有技术相比， 本发明具有如下有益效果： 0019 1、 本发明提供的神经电极使用的材料为碳纳米管线， 碳纳米管线具有优越的柔 性， 即抗弯模量很低； 在极小的直径下， 碳纳米管线的柔性将远远高于铂、 铱。
13、等金属， 实现神 经电极与神经组织之间的紧密贴合， 植入该神经电极后长期在体使用不易对神经组织造成 机械损伤。 0020 2、 本发明提供的神经电极使用的碳纳米管线材料具有优越的抗拉强度， 在碳纳米 管线直径与神经纤维相当的情况下， 例如10 m时， 不被生物体组织内力扯断。 0021 3、 本发明提供的神经电极使用的碳纳米管线材料的电化学性能好， 具有很高的电 荷注入能力， 使用小尺寸碳纳米管线电极即能够实现有效的电荷传输， 从而提高电刺激的 空间选择性， 并保证电刺激的持久性和有效性。 0022 4、 本发明通过使用两通道碳纳米管线电来实现神经电信号的差动记录， 减少生物 体以及运动过程中。
14、造成的背景噪声的影响， 从而进一步提高记录神经信号的信噪比。 0023 5、 本发明碳纳米管线神经电极的植入载具是具有尖端的刚性固体结构， 如钨丝， 能够明显减少植入过程中对神经组织造成的损伤。 0024 以下将结合附图对本发明的构思、 具体结构及产生的技术效果作进一步说明， 以 充分地了解本发明的目的、 特征和效果。 附图说明 0025 图1所示为本发明的一种优选实施方式用在外周神经束内的示意图； 0026 图2所示为本发明的一种优选实施方式用在脑皮层和深脑部位的示意图； 0027 其中， 1-暴露部分， 2-绝缘部分， 3-神经干， 4-神经束， 5-神经干内的血管， 6-大脑 皮质， 7。
15、-基底节， 8-小脑， 9-中央沟， 10-延髓。 说 明 书 2/4 页 4 CN 106963358 A 4 具体实施方式 0028 以下结合附图对本发明涉及的一种基于碳纳米管线的植入式神经电极的优选实 施例做了详细描述， 但本发明并不仅限于该实施例。 为了使公众对本发明有彻底的了解， 在 以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节。 0029 实施例1 0030 如图1所示， 两个基于碳纳米管线的植入式神经电极植入到外周神经干3的同一个 外周神经束4内， 用于记录运动状态下的外周神经纤维电信号以及对外周神经束4进行局部 的电刺激。 其中， 基于碳纳米管线的植入式神经电极包括暴露部分1和绝。
16、缘部分2， 暴露部分 1与绝缘部分2来源于同一根碳纳米管线电极， 暴露部分1的碳纳米管线电极直接暴露， 绝缘 部分2的碳纳米管线电极被绝缘层包裹； 暴露部分1用于电信号的记录或者对神经进行刺 激。 0031 植入式神经电极材料为碳纳米管线， 碳纳米管线的直径为10 m。 该碳纳米管线由 多条0.1nm-10nm的单根碳纳米管拉制而成。 暴露部分1的碳纳米管线电极长度范围是1 m- 500 m。 绝缘部分2的绝缘层材料为C型聚对二甲苯(Parylene-C)或者医用硅胶(Silicone)。 绝缘部分2的绝缘层厚度为1 m-5 m。 0032 植入式神经电极的记录方式为差动式记录， 差动式记录是。
17、指通过两个相邻的碳纳 米管线电极实现两通道的神经电信号的差动记录， 消除共模的背景噪声干扰， 提高信噪比。 0033 植入式神经电极采用的是多通道电极， 神经电极的刺激方式为两个靠近的刺激电 极之间的双极电刺激， 双极电刺激指的是两个靠近的刺激电极共同使用的刺激方式。 0034 植入式神经电极的植入部位包括但不限于尺神经、 桡神经、 正中神经、 坐骨神经及 其分支； 本实施例中神经电极的载具是钨丝， 电极植入过程为： 载具携带植入式神经电极穿 透神经束膜， 刺入到神经组织内部； 撤出载具， 将植入式神经电极留在神经束内部， 神经电 极的植入指的是暴露部分1完全置于外周神经束4内或者中枢神经组织。
18、内部， 由于载具是具 有尖端的刚性固体结构， 神经电极的植入对神经干3， 神经束4或神经干内的血管5造成的损 伤较小。 0035 实施例2 0036 如图2所示， 相邻的两个碳纳米管线电极分别植入到脑皮层， 对脑部的神经进行电 信号差动记录或局部的神经电刺激； 用于记录运动皮层的神经电活动， 或者实现对躯体感 觉皮层、 视觉皮层进行电刺激， 实现躯体感觉或者视觉反馈。 其中， 基于碳纳米管线的植入 式神经电极包括暴露部分1和绝缘部分2， 暴露部分1与绝缘部分2来源于同一根碳纳米管线 电极， 暴露部分1的碳纳米管线电极直接暴露， 绝缘部分2的碳纳米管线电极被绝缘层包裹； 暴露部分1用于神经电信号。
19、的记录或者对神经进行电刺激。 0037 植入式神经电极的材料为碳纳米管线， 碳纳米管线的直径为10 m。 该碳纳米管线 由多条直径为0.1nm-5nm的单根碳纳米管拉制而成。 暴露部分1的碳纳米管线电极长度范围 是1m-5m。 绝缘部分2的绝缘层材料为C型聚对二甲苯(Parylene-C)或者医用硅胶 (Silicone)等生物相容性好的聚合物。 绝缘部分2的绝缘层厚度为2 m-4 m。 0038 植入式神经电极的记录方式为差动式记录， 差动式记录是指通过两个相邻的碳纳 米管线电极实现两通道的神经电信号的差动记录， 消除共模的背景噪声干扰， 提高信噪比。 说 明 书 3/4 页 5 CN 10。
20、6963358 A 5 0039 植入式神经电极采用的是多通道电极， 神经电极的刺激方式为两个靠近的刺激电 极之间的双极电刺激， 双极电刺激指的是两个靠近的刺激电极共同使用的刺激方式。 0040 植入式神经电极的植入部位包括但不限于大脑皮质6， 本实施例中神经电极的载 具是钨丝， 电极植入过程为： 载具携带植入式神经电极穿透神经束膜， 刺入到大脑神经组织 内部； 撤出载具， 将植入式神经电极留在大脑神经内部， 神经电极的植入指的是暴露部分1 完全置于大脑皮层神经内部， 如大脑皮质6， 由于载具是具有尖端的刚性固体结构， 神经电 极的植入对脑部神经或者脑部血管造成的损伤较小。 0041 实施例3。
21、 0042 如图2所示， 相邻的两个碳纳米管线电极分别植入到大脑深层， 用于进行深脑的神 经电信号记录或电刺激神经调控。 其中， 基于碳纳米管线的植入式神经电极包括暴露部分1 和绝缘部分2， 暴露部分1与绝缘部分2来源于同一根碳纳米管线电极， 暴露部分1的碳纳米 管线电极直接暴露， 绝缘部分2的碳纳米管线电极被绝缘层包裹； 暴露部分1用于神经电信 号的记录或者对神经进行电刺激。 0043 植入式神经电极的材料为碳纳米管线， 碳纳米管线的直径为10 m。 该碳纳米管线 由多条直径为5nm-10nm的单根碳纳米管拉制而成。 暴露部分1的碳纳米管线电极长度范围 是1 m-500 m。 绝缘部分2的绝。
22、缘层材料为C型聚对二甲苯(Parylene-C)或者医用硅胶 (Silicone)。 绝缘部分2的绝缘层厚度为3 m-5 m。 0044 植入式神经电极的记录方式为非差动式记录。 0045 植入式神经电极采用的是单通道电极， 神经电极的刺激方式为单极电刺激， 单极 电刺激指的是是回收电极(return electrode)尺寸大于刺激电极尺寸， 并且距离刺激电极 超过1厘米的刺激方式， 且回收电极与刺激电极形成一个回路。 0046 植入式神经电极的植入部位包括但不限于基底节7、 小脑8、 中央沟9或者延髓10； 本实施例中神经电极的载具是钨丝， 电极植入过程为： 载具携带植入式神经电极穿透神经。
23、 膜， 刺入到神经组织内部； 撤出载具， 将植入式神经电极留在神经束内部， 神经电极的植入 指的是暴露部分1完全置于脑部神经内部， 如基底节7、 小脑8、 中央沟9或者延髓10， 由于载 具是具有尖端的刚性固体结构， 神经电极的植入对脑部神经或者脑部血管造成的损伤较 小。 0047 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。 应当理解， 本领域的普通技术人员无 需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。 因此， 凡本技术领域中技术 人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、 推理或者有限的实验可以得到的 技术方案， 皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。 说 明 书 4/4 页 6 CN 106963358 A 6 图1 图2 说 明 书 附 图 1/1 页 7 CN 106963358 A 7 。