神经刚柔结构微电极

摘要

一种神经刚柔结构微电极，具有刚性结构部分和柔性结构部分，电极的几何结构得到了改进，电极表面涂覆了一层柔性材料涂层；柔性结构部分可以完全替代刚性结构部分，或穿在刚性结构部分之间，或者附在刚性结构上；刚性材料是硅或其它陶瓷材料；柔性材料是聚酰亚胺、苯并环丁烯、SU-8、聚二甲基硅氧烷和聚对二甲苯；改进电极几何形状的方法主要是减小电极的截面积；在电极表面沉积一层柔性材料涂层；柔性涂层材料是导电水凝胶、粘蛋白和聚乙烯亚胺。改进后的微电极柔性得到有效的提高，减轻了微动对生物组织的创伤，有利于电极在体内的长期留置。

权利要求

1.一种神经刚柔结构微电极，由柄部和杆部构成，所述的杆部是一根具有尖端的杆，该杆上设有电极位点，其特征在于：所述的杆部是刚性材料制成的刚性结构和柔性材料制成的柔性结构相结合的结构，包括：所述的部杆与所述的柄部连接的一段杆为柔性结构；

或穿在刚性结构之间穿设柔性结构；

或所述的杆部与所述的柄部连接的一段杆具有较小的直径；

或所述的杆部具有镂空结构。

2.如权利要求1所述的神经刚柔结构微电极，其特征在于，所述的柔性结构的柔性材料是聚酰亚胺、苯并环丁烯、SU-8、聚二甲基硅氧烷或聚对二甲苯。

3.如权利要求1所述的神经刚柔结构微电极，其特征在于，所述的柔性涂层材料是导电水凝胶、粘蛋白或聚乙烯亚胺。

说明书

神经刚柔结构微电极

技术领域

[0001] 本发明涉及的是一种生物医学工程，特别是一种神经刚柔结构微电极。

背景技术

[0002] 神经系统是一个开放的复杂的巨系统，对于神经系统的深入研究是人类最富挑战的探索。几个世纪以来人类一直在努力探索神经系统的奥秘，寻求治疗神经疾患的有效手段。随着人们对神经科学研究的深入，衍生了神经工程这样一门学科，它是神经科学、材料科学、微电子技术以及信息科学的交叉学科，在揭示神经系统的工作机理以及神经疾病的治疗和神经康复等方面具有重要意义。神经假体设备，如深部脑刺激器，应用神经微电极作为神经系统与外部设备的接触界面。深部脑刺激是一种神经外科治疗方案，即用电子信号来刺激大脑，多年以来，它已变成了一个非常成功的治疗方法用来治疗一些难治性疾病，例如慢性疼痛，帕金森病，震颤和肌张力障碍。

[0003] 在神经工程系统中，最关键的部件就是神经-电子接口即微电极。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；另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。

[0004] 但是，微电极的植入会带来多级反应，如导线的牵扯力、植入的基体材料发热生物相容性，与脑膜的长期接触，以及神经组织和植入电极间的相对微动等因素都可能导致组织包裹现象的产生。电极的刚度一般较大，植入电极相对神经组织硬度较高，以及周围神经具有较大的活动度等特点，导致电极与神经间很难稳定的固定，二者界面间存在着微动，这比质地柔软的缝线更容易对周围的神经纤维造成机械性损伤，但损伤只局限于邻近微电极的区域内。微动会产生应力集中，对神经纤维造成慢性机械性损伤，表现为神经纤维变细，出现神经纤维稀疏区，同时诱导纤维结缔组织包裹，导致微电极的刺激和记录性能下降，限制了微电极在人体周围神经中长期留置。因此，植入式神经微电极最主要的局限是如何长期稳定地对神经进行记录和刺激。提高微电极柔性，减小微动，对植入微电极的长期稳定性有着十分重要的意义。

[0005] 经对现有技术文献的检索发现，Shih-Chang Chuang; Chang-Hsiao Chen; Huan-Chieh Su 等 在 Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), 2010 IEEE 23rd International Conference on , vol., no., pp.1003-1006, 24-28 Jan. 2010上撰文 "Design and fabrication of flexible neural microprobe for three dimensional assembly"（“三维柔性神经微电极的设计与制造” 第23届IEEE国际会议）。该文中提出了一种新的微电极柔性设计的方法，即利用SU-8和聚对二甲苯等聚合物材料取代硅来作为基底材料。这种方法制备的微电极，其聚合物材料的低杨氏弹性模量特性虽然可以提高微电极柔性，有利于微电极与生物组织表面的粘附，但是却因过于柔软而不利于微电极的手术植入。另外，该文只从材料角度考虑如何提高微电极柔性，并没有在微电极几何结构方面提出合适的提高微电极柔性的改进方案。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于克服现有神经微电极结构的不足，提供一种神经刚柔结构微电极，该微电极具有较小的刚度、微电极植入所产生的微动更小，可减小微电极植入所产生的微动，减轻对神经细胞的损伤，提高微电极的可靠性，使微电极能够长期稳定的在体内留置。

[0007] 本发明的技术解决方案如下：

[0008] 一种神经刚柔结构微电极，由柄部和杆部构成，所述的杆部是一根具有尖端的杆，该杆上设有电极位点，其特点在于：

[0009] 所述的杆部是刚性材料制成的刚性结构和柔性材料制成的柔性结构相结合的结构，包括：

[0010] 所述的杆为柔性结构构成，而所述的电极位点为刚性结构；

[0011] 或所述的部杆与所述的柄部连接的一段杆为柔性结构；

[0012] 或穿在刚性结构之间穿设柔性结构；

[0013] 或所述的杆为刚性结构，在所述的杆为刚性结构上涂附一层柔性涂层材料。

[0014] 或所述的杆部与所述的柄部连接的一段杆具有较小的直径。

[0015] 或所述的杆部具有镂空结构。

[0016] 所述的柔性结构的柔性材料是聚酰亚胺、苯并环丁烯、SU-8、聚二甲基硅氧烷和聚对二甲苯。

[0017] 在电极表面沉积一层柔性材料涂层，创建软的神经组织和坚硬的电极间的机械缓冲层，增强电极和神经组织的粘附程度，可以有效阻止电极和组织间的微动；

[0018] 所述的柔性涂层材料是指导电水凝胶、粘蛋白和聚乙烯亚胺。

[0019] 本发明从怎样阻断、吸收微动以及阻尼减振等方面考虑，对电极结构进行改进。需要指出的是：上述方案并不是独立的，研究者可以根据具体的设计需要，将这些方案综合考虑。

[0020] 本发明的技术效果如下：

[0021] 本发明具有简单、实用的特点，与现有的神经电极相比，本发明可以有效地增强电极的柔性，降低电极刚度，达到良好的减振效果，减轻组织-电极界面的微动对神经组织的损伤，使电极能够长期稳定的在体内留置。

附图说明

[0022] 图1和图2为本发明实施例的结构示意图。

[0023] 图中：(1)和a为刚性材料的电极示意图；

[0024] (2)和b为柔性材料的电极示意图；

[0025] (3)和c为电极柄部与杆部的结合处采用柔性材料的示意图；

[0026] (4)为改进电极柄部与杆部结合处几何结构的示意图；

[0027] (5)、(6)为对电极整体几何结构进行改进的结构示意图；

[0028] (7)和d为在电极表面沉积柔性材料涂层的结构示意图。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，但本发明的保护范围不应限于下述的实施例。

[0030] 一种神经刚柔结构微电极，由柄部和杆部构成，所述的杆部是一根具有尖端的杆，该杆上设有电极位点，其特点在于所述的杆部是刚性材料制成的刚性结构和柔性材料制成的柔性结构相结合的结构，包括：

[0031] 所述的杆为柔性结构构成，而所述的电极位点为刚性结构；

[0032] 或所述的部杆与所述的柄部连接的一段杆为柔性结构；

[0033] 或穿在刚性结构之间穿设柔性结构；

[0034] 或所述的杆为刚性结构，在所述的杆为刚性结构上涂附一层柔性涂层材料。

[0035] 或所述的杆部与所述的柄部连接的一段杆具有较小的直径。

[0036] 或所述的杆部具有镂空结构。

[0037] 所述的柔性结构的柔性材料是聚酰亚胺、苯并环丁烯、SU-8、聚二甲基硅氧烷和聚对二甲苯。

[0038] 在电极表面沉积一层柔性材料涂层，创建软的神经组织和坚硬的电极间的机械缓冲层，增强电极和神经组织的粘附程度，可以有效阻止电极和组织间的微动；

[0039] 所述的柔性涂层材料是指导电水凝胶、粘蛋白和聚乙烯亚胺。

[0040] 第一类实施例

[0041] 如图1中(2)、(3)和图2中的b、c所示，(2)和b中将基底的刚性材料用柔性材料进行替代；(3)和c中电极的关键部位，即电极柄部和杆部的结合处采用柔性材料。这里的刚性材料为硅材料，柔性材料为聚对二甲苯。聚对二甲苯具有很好的生物相容性和低吸湿性, 而且具有良好的机械性能和介电性质，将其用于电极制作上，可以有效增加电极柔性，减轻微动对神经组织的损伤，增强电极可靠性，适于长期植入。

[0042] 第二类实施例

[0043] 图中(4)、(5)、(6)所示为对电极几何结构进行改进。(4)中适量减小电极柄部和杆部的结合处的直径；(5)中将电极杆部中心开孔；(6)中将电极杆部制成网状镂空。

[0044] 本实施例通过减小电极杆部截面积，可以有效的减小电极刚度，增加电极柔性，达到良好的减振效果，从而减轻微动对神经组织的损伤，增强电极可靠性，适于长期植入。

[0045] 第三类实施例

[0046] 如图1中(7)和图2中d所示，在电极表面沉积一层导电水凝胶涂层，作为组织和电极之间的机械缓冲层。

[0047] 本实施例采用的柔性材料为导电水凝胶涂层，水凝胶是一种理想的组织工程支架材料，它具有良好的三维孔隙度和水溶性，水凝胶的机械性能可以做的和脑组织相似，干燥的水凝胶在植入体内后，其膨胀性质使其有利于在组织内固定。将其涂覆在电极表面，可以有效增加电极柔性，达到良好的减振效果，减轻微动对神经组织的损伤，增强电极可靠性，适于长期植入。