本发明提供了一种光电集成可拉伸柔性神经电极及制备方法，柔性神经电极包括第一层弹性基底、光刺激电极、第二层弹性基底及记录电极；其中，光刺激电极和记录电极均采用蛇形弯曲布线结构；光刺激电极的下表面设置第一二氧化硅层，第一二氧化硅层与第一层弹性基底发生缩合反应产生的强化学键使所述光刺激电极粘合在第一层弹性基底表面；光刺激电极的上表面上设置第二层弹性基底，记录电极的下表面设置第二二氧化硅层，第二二氧化硅层与第二层弹性基底发生缩合反应产生的强化学键使记录电极粘合在第二层弹性基底表面，使记录电极与光刺激电极集成一体结构。本发明的柔性神经电极可以长期植入，具有高度柔性，能够承受脑组织膨胀收缩等变形影响。
一种光电集成可拉伸柔性神经电极及制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于生物医学工程技术领域的神经微电极，具体地，涉及一种光电集成可拉伸柔性神经电极及制备方法。
背景技术
[0002] 随着脑机接口和神经科学的快速进步与发展，深入理解大脑功能和疾病已经成为世界各国争相研究的前沿方向之一。借助柔性电子科学和MEMS微纳加工能力，柔性神经微电极被越来越多地用来精准采集高密度、高信息量的脑电信号，为神经环路功能研究、脑区病灶确诊、神经解码等提供了全新的工具。
[0003] 自从光遗传学的出现，让人们可以精准地刺激或抑制某类特定的神经元，已经成为神经系统疾病模型和神经环路功能研究必不可少的工具。目前将光源引入到大脑的主要方式通过一根光纤插入脑组织进行照射，但是分辨率极差。近年来，发展了带有开孔的光极探针、光波导、微型LED阵列等光源，分为将光源刺入到大脑深处和通过大脑皮层进行光刺激两种方式。侵入式相对较小的通过大脑皮层表面进行光刺激时，需要考虑大脑自身的膨胀和收缩带来的体积变化。
[0004] 经对现有技术的检索发现，目前还未有研究提出集成微型LED芯片阵列和脑皮层电信号采集功能的可拉伸性脑机接口器件。日本丰桥技术科学大学Morikawa Y,Yamagiwa S等人在Advanced healthcare materials,2018,7(3):1701100撰文“Ultrastretchable kirigami bioprobes”提出了一种具有剪纸结构的高度可拉伸性、承受最大应变可达840％，杨氏模量仅为3.6kPa的柔性神经微电极。器件采用11微米厚的Parylene-C材料作为柔性基底，共包含10个直接为50微米的铂电极点，电极点之间的间距和位置可通过拉伸调整，减小了器件自身应力对柔软脑组织的潜在损伤。但是提出的器件只有记录大脑皮层ECoG信号的功能，没有结合其他功能；整个结构在拉伸后产生面外变形，电极点难以保持平整可靠贴附在曲面表面；器件机械强度低，容易破损断裂，难以长期埋植使用。
[0005] 有报道基于弹性聚合物材料(如PDMS)的柔性神经微电极，在承受大脑的膨胀或挤压时，可以通过自身拉伸形变，减小电极错位和电极对脑组织潜在的机械损伤等。中国北京大学Zhang J,Liu X等人在Nano letters,2018,18(5):2903-2911撰文“Stretchable transparent electrode arrays for simultaneous electrical and optical interrogation of neural circuits in vivo”，在聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底内集成碳纳米管电极，具有一定拉伸性和透明性，碳纳米管电极上限可以拉伸到50％，循环拉伸20％反复10000次仍然可以保持良好的电化学性能，最后结合激光光纤大范围光刺激同步采集ECoG脑皮层电信号。瑞士苏黎世联邦理工大学Tybrandt K,Khodagholy D等人在Advanced Materials,2018,30(15):1706520上撰文“High-density stretchable electrode grids for chronic neural recording”，同样在PDMS基底内集成镀金二氧化钛纳米线制备高密度电极，长期埋植在大鼠大脑皮层上3个月仍然可以采集到脑皮层电信号。但由于脑组织杨氏模量(～1kPa)相比于PDMS(～1Mpa)低2-3个数量级，因此更加柔软的弹性基底材料更适合脑组织长期植入匹配，另外以上两种电极功能单一，并没有结合精准定位的光刺激，只有没有分辨率的大范围激光照射刺激。
[0006] 除此之外，中国电子科技大学Yan Z,Pan T等人在Advanced Science,2017,4(11):1700251撰文“Thermal release transfer printing for stretchable conformal bioelectronics”通过热剥离胶带将三明治结构的聚酰亚胺-金属层-聚酰亚胺蛇形线结构电极，转印到PDMS基底上，可实现10.4％的拉伸，并在大鼠大脑皮层通过急性动物实验采集了ECoG脑皮层电信号。但是由于聚酰亚胺和PDMS本身粘附力较弱，难以保证器件在使用中不发生分层脱离，同样也只有单一的脑电记录功能，没有和光刺激相结合。
[0007] 综上所述，目前并没有报道集成精准光刺激和脑皮层电信号采集功能的可拉伸性脑机接口柔性电极，原因包括加工工艺复杂，器件集成度要求较高等，因此亟需研发一款可以长期植入，高度柔性，可承受膨胀收缩等变形影响，集成精准光刺激功能的柔性神经电极，以应对各类脑科学和神经科学研究上的工具需求。
发明内容
[0008] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种光电集成可拉伸柔性神经电极及制备方法。
[0009] 根据本发明第一个方面，提供一种光电集成可拉伸柔性神经电极，所述柔性神经电极包括第一层弹性基底、光刺激电极、第二层弹性基底及记录电极；
[0010] 其中，所述光刺激电极和所述记录电极均采用蛇形弯曲布线结构，保证金属导线在拉伸过程中不会达到屈服应变临界值；
[0011] 所述光刺激电极的下表面设置第一二氧化硅层，第一二氧化硅层与所述第一层弹性基底发生缩合反应产生的强化学键使所述光刺激电极粘合在所述第一层弹性基底表面；
[0012] 所述光刺激电极的上表面上设置所述第二层弹性基底，所述记录电极的下表面设置第二二氧化硅层，所述第二二氧化硅层与所述第二层弹性基底发生缩合反应产生的强化学键使所述记录电极粘合在所述第二层弹性基底表面，使所述记录电极与所述光刺激电极集成一体结构。
[0013] 优选地，所述第一层弹性基底、所述第二层弹性基底采用铂催化硅橡胶Dragonskin或Ecoflex。
[0014] 进一步，所述光刺激电极包括第一聚酰亚胺衬底层、金属导线层、第一聚酰亚胺封装层和微型LED芯片，其中，所述第一聚酰亚胺衬底层位于所述光刺激电极的最底层，所述第一聚酰亚胺衬底层上表面设置所述金属导线层，所述金属导线层上方设置第一聚酰亚胺封装层，所述第一聚酰亚胺封装层上设置所述微型LED芯片；所述光刺激电极的下表面指所述第一聚酰亚胺衬底层的下表面；所述第二层弹性基底位于所述第一聚酰亚胺封装层的上表面。
[0015] 优选地，所述第一聚酰亚胺衬底层的厚度为2～10μm；和/或，所述第一聚酰亚胺封装层的厚度为2～10μm。
[0016] 进一步，所述记录电极包括第二聚酰亚胺衬底层、金属屏蔽层、聚酰亚胺绝缘层、金属记录层和第二聚酰亚胺封装层，其中，所述第二聚酰亚胺衬底层位于所述记录电极的最底层，所述第二聚酰亚胺衬底层上方设置所述金属屏蔽层，所述金属屏蔽层上方设置聚酰亚胺绝缘层，所述聚酰亚胺绝缘层上方设置所述金属记录层，所述金属记录层上方设置所述第二聚酰亚胺封装层；所述记录电极的下表面指所述第二聚酰亚胺衬底层的下表面。
[0017] 优选地，所述第二聚酰亚胺衬底层的厚度为2～10μm。
[0018] 优选地，所述聚酰亚胺绝缘层的厚度为2～10μm。
[0019] 优选地，所述第二聚酰亚胺封装层的厚度为2～10μm。
[0020] 根据本发明第二个方面，提供一种光电集成可拉伸柔性神经电极的制备方法，包括：
[0021] 分别制备光刺激电极和记录电极，所述刺激电极和所述记录电极均采用圆弧蛇形弯曲布线结构，保证金属导线在拉伸过程中不会达到屈服应变临界值；
[0022] 在所述光刺激电极的下表面沉积第一二氧化硅层，将所述光刺激电极的下表面的所述第一二氧化硅层转印到第一层弹性基底上，所述第一二氧化硅层与所述第一层弹性基底发生缩合反应产生强化学键，使所述光刺激电极粘合在所述第一层弹性基底表面上；
[0023] 在所述光刺激电极的上表面上制备一层第二层弹性基底，在记录电极的下表面沉积第二二氧化硅层，将所述记录电极的下表面所述第二二氧化硅层转印到所述第二层弹性基底上，所述第二二氧化硅层与所述第二层弹性基底发生缩合反应产生强化学键，使所述记录电极粘合在所述第二层弹性基底表面；获得集成所述光刺激电极和所述记录电极一体化器件。
[0024] 进一步，按以下步骤执行：
[0025] 第1步：用第一硅片作为光刺激电极的支撑基片；用第二硅片作为记录电极的支撑基片；清洗所述第一硅片和所述第二硅片，清洗完成后对所述第一硅片和所述第二硅片进行烘烤；
[0026] 第2步：在所述第一硅片和所述第二硅片上分别热蒸发或溅射一层金属，作为上层结构最后的金属释放层；
[0027] 第3步：在所述第一硅片上即在所述金属释放层的上方旋涂并光刻图形化聚酰亚胺胶，形成所述光刺激电极的第一聚酰亚胺衬底层；在所述第二硅片上即在所述金属释放层的上方旋涂并光刻图形化聚酰亚胺胶，形成所述记录电极的第二聚酰亚胺衬底层；
[0028] 第4步：在所述第一硅片上即在所述第一聚酰亚胺衬底层上方先溅射一层铬作为种子层，再在铬层上溅射一层金作为金属层，在所述金属层上旋涂并光刻图形化正性光刻胶，通过离子束刻蚀完成所述光刺激电极的金属导线层图形化；在所述第二硅片上即所述第二聚酰亚胺衬底层上方先溅射一层铬作为种子层，再在铬层上溅射一层金作为金属层，通过离子束刻蚀完成所述记录电极的金属屏蔽层图形化；
[0029] 第5步：在所述第一硅片上即在所述金属导线层的上方旋涂并光刻图形化聚酰亚胺胶，形成所述光刺激电极的第一聚酰亚胺封装层，在所述第一硅片上完成光刺激电极的制备；在所述第二硅片上即在所述金属屏蔽层的上方旋涂并光刻图形化聚酰亚胺胶，形成所述记录电极的聚酰亚胺绝缘层；
[0030] 第6步：在所述第二硅片上即所述聚酰亚胺绝缘层的上方先溅射一层铬，再在铬层上溅射一层金形成金属记录层，在所述金属记录层上旋涂并光刻图形化正性光刻胶，最后通过离子束刻蚀完成所述记录电极的金属记录层图形化；
[0031] 第7步：在所述第二硅片上即所述金属记录层上方旋涂并光刻图形化聚酰亚胺胶，形成所述记录电极的第二聚酰亚胺封装层，在所述第二硅片上完成记录电极的制备；
[0032] 第8步：用无尘纸或无尘布分别覆盖于所述第一硅片和所述第二硅片的上方，再用分别与所述第一硅片和所述第二硅片相同直径大小的玻璃片完全覆盖，之后将叠加在一起的所述第一硅片和玻璃片、所述第二硅片和玻璃片浸泡在盐酸溶液中，牺牲所述第一硅片和所述第二硅片上的金属释放层；
[0033] 第9步：之后，再将叠加在一起的所述第一硅片和玻璃片、所述第二硅片和玻璃片放入去离子水浸泡、冲洗并烘干，完成所述光刺激电极和所述记录电极的释放；
[0034] 第10步：采用水溶性胶带从所述第一硅片上粘起所述光刺激电极，使所述第一硅片与所述光刺激电极分离，将所述光刺激电极的下表面朝上固定在基片上，然后在所述光刺激电极的下表面先溅射一层钛，再在钛层上溅射第一二氧化硅层；
[0035] 采用水溶性胶带从所述第二硅片上粘起所述记录电极，使所述第二硅片与所述记录电极分离；将所述记录电极的下表面朝上固定在基片上，然后在所述记录电极的下表面先溅射一层钛，再在钛层上溅射第二二氧化硅层；
[0036] 第11步，选取玻璃片，在玻璃片上方覆盖一层PI胶带，之后将表面沉积有一层聚对二甲苯的载玻片用所述PI胶带固定在所述玻璃片上，并在载玻片上即在聚对二甲苯上喷涂一层脱模剂，之后在所述脱模剂上旋涂一层超弹性硅橡胶作为第一层弹性基底；
[0037] 第12步：采用UV紫外光照射所述第一层弹性基底，之后再将粘有所述光刺激电极的水溶性胶带转印到所述第一层弹性基底表面，使所述光刺激电极溅射有第一二氧化硅层的一面与所述第一层弹性基底表面接触，并在一定压力作用下，放置烘箱中，之后热水溶解所述水溶性胶带；
[0038] 第13步：将掩膜对准贴附在所述光刺激电极上，即所述第一聚酰亚胺封装层的上表面，通过所述掩膜暴露的金属焊盘用来刷涂导电银浆，所述光刺激电极上完成焊料图形化；
[0039] 第14步：利用图形化模具，倒模得到凹模印章，将微型LED芯片固定在印章的凹坑内，完成多个微型LED芯片的转印，形成微型LED芯片阵列，放入烘箱，使所述光刺激电极上的所述导电银浆完全固化并导电；
[0040] 第15步：在所述光刺激电极的尾端利用掩膜刷涂导电银浆形成光刺激电极接口，选取PI软排线，将所述PI软排线在盖玻片的压覆下对准所述光刺激电极接口，使所述光刺激电极接口与所述PI软排线的前端连接成一体器件，保持上方压力作用下，放入烘箱；
[0041] 第16步：在所述光刺激电极接口和所述PI软排线连接区域涂覆密封胶，对整个所述器件表面进行氧等离子体预处理，并将聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜覆盖于所述PI软排线的后端，在整个第一硅片上旋涂一层超弹性硅橡胶作为第二层弹性基底，并在旋涂后立即揭开聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜，使所述PI软排线的后端暴露；
[0042] 第17步：采用UV紫外光照射所述第二层弹性基底，将第10步中制备的粘有所述记录电极的水溶性胶带对准位置，将所述记录电极溅射有第二二氧化硅层的一面转印到所述第二层弹性基底表面，并在一定压力作用下，放置烘箱中，随后放入热水中溶解水溶性胶带；
[0043] 第18步：在所述记录电极后端的局部区域利用掩膜刷涂导电银浆，形成记录电极接口，再选取PI软排线，在盖玻片的压覆下将所述PI软排线对准到所述记录电极接口，保持上方压力作用下，放入烘箱；
[0044] 第19步：在所述记录电极接口和所述PI软排线连接区域涂覆硅酮密封胶，通过激光切割所述第一层弹性基底和所述第二层弹性基底获得集成器件的轮廓；
[0045] 第20步：从载玻片上释放整个集成器件，并对所述集成器件的电极点进行电化学改性。
[0046] 优选地，第2步中，所述第一硅片和/或所述第二硅片的释放层的金属采用铝或铜，所述第一硅片和/或所述第二硅片的所述金属释放层的厚度为200～1000nm。
[0047] 优选地，-第4步中，所述第一硅片、所述第二硅片的所述种子层的厚度为10～50nm；所述第一硅片、所述第二硅片的所述金属层的厚度为100～500nm；
[0048] -第6步中，在所述第二硅片上即聚酰亚胺绝缘层的上方先溅射一层铬，再在铬层上溅射一层金形成金属记录层，其中，所述铬的厚度为10～50nm；所述金的厚度为100～500nm。
[0049] -第10步中，在所述光刺激电极的下表面先溅射一层钛，再在钛层上溅射一层二氧化硅，其中，钛的厚度为3～10nm；二氧化硅的厚度为30～100nm；
[0050] 在所述记录电极的下表面先溅射一层钛，再在钛层上溅射一层二氧化硅，钛的厚度为3～10nm；二氧化硅的厚度为30～100nm。
[0051] 与现有技术相比，本发明具有如下至少一种的有益效果：
[0052] 1、本发明上述结构中首次将精准光刺激功能结合到可拉伸柔性神经电极中，即使在变形条件下，光刺激位点和记录电极点的相对位置不会发生变化，保证了刺激和记录位置的可靠性；此种柔性神经电极填补了国内外可拉伸光电集成脑机接口器件的空白，有潜力为神经科学和脑科学研究提供有力的支撑工具。且上述结构中光刺激电极和记录电极采用蛇形布线结构，具有一定拉伸性，可跟随超弹性硅橡胶基底变形，可以长期植入，高度柔性，能够承受脑组织膨胀收缩等变形影响；
[0053] 2、进一步，本发明上述结构中采用杨氏模量低于最常用的PDMS的超弹性铂催化硅橡胶Dragonskin或Ecoflex系列作为电极基底，有助于提升电极的拉伸性，与大脑皮层之间更容易形成保形贴附状态。
[0054] 3、本发明上述制备方法中，通过转印方法将集成有微型LED芯片的光刺激电极和记录电极集成为一体，本发明中柔性神经电极集成度高，MEMS加工工艺难度低，高度柔性可以随着脑组织的膨胀收缩发生形变，更加适合长期植入小鼠体内，进行基于光遗传学的长期神经环路和神经系统疾病模型的研究。
[0055] 4、在基于本发明上述结构及制备方法，可以根据需要更换不同的弹性基底和电极衬底材料，而不需要改变电极的集成工艺流程。
附图说明
[0056] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0057] 图1a为本发明一优选实施例的光电集成可拉伸柔性神经电极的结构示意图；
[0058] 图1b为图1a中光刺激电极的局部放大结构示意图；
[0059] 图1c为图1a中记录电极的局部放大结构示意图；
[0060] 图2为本发明实施例中的光电集成可拉伸柔性神经电极的集成工艺流程图；
[0061] 图3为本发明实施例中的记录电极点和微型LED芯片的相对位置和尺寸示意图；
[0062] 图4为本发明实施例中的光电集成可拉伸柔性神经电极的截面结构和尺寸示意图；
[0063] 图5a为本发明实施例中的光电集成可拉伸柔性神经电极的蛇形线结构设计图；
[0064] 图5b为图5a中单向拉伸蛇形线结构的变形前后示意图；
[0065] 图5c为图5a中蛇形线结构参数示意图；
[0066] 图6为本发明实施例中的光电集成可拉伸柔性神经电极器件照片；
[0067] 图7为本发明实施例中的光电集成可拉伸柔性神经电极在小鼠大脑皮层进行同步光刺激和电记录工作示意图；
[0068] 图中标记分别表示为：第一层弹性基底1、第一二氧化硅层2、第一聚酰亚胺衬底层3、金属导线层4、第一聚酰亚胺封装层5，微型LED芯片6、第二层弹性基底7、第二二氧化硅层
8、第二聚酰亚胺衬底层9、金属屏蔽层10、聚酰亚胺绝缘层11、金属记录层12、第二聚酰亚胺封装层13、记录电极点14、参比电极点15、蛇形弯曲布线结构16、470nm蓝光17、脑电信号采集位点18、LED供电排线19、脑电信号采集排线20。
具体实施方式
[0069] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。本发明以下实施例中没有详细说明的部分，均可以采用现有技术实现。
[0070] 参照图1a、1b、1c所示，为一种光电集成可拉伸柔性神经电极的优选实施例的结构示意图，柔性神经电极包括第一层弹性基底1、光刺激电极、第二层弹性基底7及记录电极；光刺激电极和记录电极均采用圆弧蛇形弯曲布线结构16；光刺激电极的下表面设置第一二氧化硅层2，第一二氧化硅层2与第一层弹性基底1发生缩合反应产生的强化学键使光刺激电极粘合在第一层弹性基底1表面；光刺激电极的另一面(上表面)上设置第二层弹性基底
7，记录电极的下表面设置第二二氧化硅层8，第二二氧化硅层8与第二层弹性基底7发生缩合反应产生的强化学键使记录电极粘合在第二层弹性基底7表面，使记录电极与光刺激电极集成一体结构。
[0071] 在其他优选实施例中，第一层弹性基底1和第二层弹性基底7均选用采用杨氏模量低于最常用的PDMS的超弹性铂催化硅橡胶Dragonskin或Ecoflex系列。具体可以选用美国Smooth-on公司生产的铂催化硅橡胶Dragonskin。铂催化硅橡胶Dragonskin杨氏模量为166kPa，Ecoflex杨氏模量为60kPa，在现有技术中通常采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)做弹性基底，PDMS的杨氏模量范围在0.5～1.8MPa，超弹性铂催化硅橡胶Dragonskin或Ecoflex系列杨氏模量低于最常用的PDMS。采用超弹性材料作为基底，可以提高电极柔性。
[0072] 在其他优选实施例中，光刺激电极包括第一聚酰亚胺衬底层3、金属导线层4、第一聚酰亚胺封装层5和微型LED芯片6，其中，第一聚酰亚胺衬底层3位于光刺激电极的最底层，第一聚酰亚胺衬底层3上表面设置金属导线层4，金属导线层4上方设置第一聚酰亚胺封装层5，第一聚酰亚胺封装层5上设置微型LED芯片6；光刺激电极的下表面指第一聚酰亚胺衬底层3的下表面；第二层弹性基底位于第一聚酰亚胺封装层5的上表面。
[0073] 在部分具体实施例中，微型LED芯片6可以选用美国Cree公司型号为TR2227或TR1823的氮化镓LED裸芯片，厚度为50μm。对应的SU-8负性光刻胶模具高度为20～30μm，长度和宽度尺寸比微型LED芯片6尺寸大5～10μm，以便于微型LED芯片6定位和分离。
[0074] 在其他实施例中，第一聚酰亚胺衬底层3的厚度为2～10μm；第一聚酰亚胺封装层5的厚度为2～10μm。
[0075] 在其他实施例中，记录电极包括第二聚酰亚胺衬底层9、金属屏蔽层10、聚酰亚胺绝缘层11、金属记录层12和第二聚酰亚胺封装层13，其中，第二聚酰亚胺衬底层9位于记录电极的最底层，第二聚酰亚胺衬底层9上方设置金属屏蔽层10，金属屏蔽层10上方设置聚酰亚胺绝缘层11，聚酰亚胺绝缘层11上方设置金属记录层12，金属记录层12上方设置第二聚酰亚胺封装层13；记录电极的下表面指第二聚酰亚胺衬底层9的下表面。
[0076] 在其他实施例中，第二聚酰亚胺衬底层9的厚度为2～10μm；聚酰亚胺绝缘层11的厚度为2～10μm；第二聚酰亚胺封装层13的厚度为2～10μm。
[0077] 在一具体实施例中，柔性神经电极包括9个记录电极点14，1个参比电极点15和4个微型LED芯片6，可以根据目标动物组织，调整记录电极点14大小、记录电极点14和微型LED芯片6数量以及分布位置等。
[0078] 基于上述实施例的柔性神经电极的结构特征，提供一种光电集成可拉伸柔性神经电极的制备方法的实施例，制备方法包括：
[0079] 分别制备光刺激电极和记录电极，刺激电极和记录电极均采用圆弧蛇形弯曲布线结构16，保证金属导线在拉伸过程中不会达到屈服应变临界值。
[0080] 在光刺激电极的下表面沉积第一二氧化硅层2，将记光刺激电极下表面的第一二氧化硅层2转印到第一层弹性基底1上，第一二氧化硅层2与第一层弹性基底1反生缩合反应产生强化学键，使光刺激电极粘合在第一层弹性基底1表面上；在光刺激电极的另一面(上表面)上制备一层第二层弹性基底7，在记录电极下表面沉积第二二氧化硅层8，将记录电极下表面的第二二氧化硅层8转印到第二层弹性基底上，第二二氧化硅层8与第二层弹性基底7反生缩合反应产生强化学键，使记录电极粘合在第二层弹性基底7表面，获得集成光刺激电极和记录电极一体化器件。
[0081] 在一优选实施例中，一种光电集成可拉伸柔性神经电极的制备方法，按以下步骤执行：
[0082] 第1步：用第一硅片作为光刺激电极的支撑基片；用第二硅片作为记录电极的支撑基片；清洗第一硅片和第二硅片，清洗完成后对第一硅片和第二硅片进行烘烤。
[0083] 第2步：在第一硅片和第二硅片上分别热蒸发或溅射一层金属，作为上层结构最后的金属释放层。
[0084] 第一硅片和/或第二硅片的释放层的金属采用铝或铜，第一硅片和/或第二硅片的金属释放层的厚度为200～1000nm。
[0085] 第3步：在第一硅片上即在金属释放层的上方旋涂并光刻图形化聚酰亚胺胶，形成光刺激电极的第一聚酰亚胺衬底层3；在第二硅片上即在金属释放层的上方旋涂并光刻图形化聚酰亚胺胶，形成记录电极的第二聚酰亚胺衬底层9。
[0086] 第4步：在第一硅片上即在第一聚酰亚胺衬底层3上方先溅射一层铬(Cr)，再在铬层上溅射一层金(Au)作为金属层，在金属层上旋涂并光刻图形化正性光刻胶，通过离子束刻蚀完成光刺激电极的金属导线层4图形化；在第二硅片上即第二聚酰亚胺衬底层9上方先溅射一层铬(Cr)，再在铬层上溅射一层金(Au)作为金属层，通过离子束刻蚀完成所述记录电极的金属屏蔽层10图形化。
[0087] 在第一硅片上即在聚酰亚胺衬底层上方溅射铬(Cr)层的厚度为10～50nm；在铬(Cr)层上溅射金(Au)层的厚度为100～500nm。
[0088] 在第二硅片上即聚酰亚胺衬底层上方溅射铬层的厚度为10～50nm；在铬(Cr)层上溅射的金(Au)层的厚度为100～500nm。
[0089] 第5步：在第一硅片上即在金属导线层4的上方旋涂并光刻图形化聚酰亚胺胶，形成光刺激电极的第一聚酰亚胺封装层5，在第一硅片上完成光刺激电极的制备；在第二硅片上即在金属屏蔽层10的上方旋涂并光刻图形化聚酰亚胺胶，形成记录电极的聚酰亚胺绝缘层11。
[0090] 第6步：在第二硅片上即聚酰亚胺绝缘层11的上方先溅射一层铬(Cr)，再在铬层上溅射一层金(Au)，形成金属记录层12，在金属记录层12上旋涂并光刻图形化正性光刻胶，最后通过离子束刻蚀完成记录电极的金属记录层12图形化；其中，铬(Cr)层的厚度为10～50nm；金(Au)层的厚度为100～500nm。
[0091] 第7步：在第二硅片上即金属记录层12上方旋涂并光刻图形化聚酰亚胺胶，形成记录电极的第二聚酰亚胺封装层13，在第二硅片上完成记录电极的制备。
[0092] 第8步：用无尘纸或无尘布分别覆盖于第一硅片和第二硅片上方，再用分别与第一硅片和第二硅片相同直径大小的玻璃片完全覆盖，之后将叠加在一起的第一硅片和玻璃片、第二硅片和玻璃片浸泡在盐酸溶液中，牺牲第一硅片和第二硅片上的金属释放层。
[0093] 采用无尘纸或者无尘布，主要作用是保证盐酸溶液能够渗透与电极的金属释放层接触；记录电极和光刺激电极由于被叠压在硅片和玻璃片之间，金属释放层和盐酸溶液接触反应缓慢，因此浸泡时间需要适当延长至1-2天，以保证聚酰亚胺下层的金属释放层被完全刻蚀反应干净。
[0094] 第9步：之后，再将叠加在一起的第一硅片和玻璃片、第二硅片和玻璃片放入去离子水浸泡、冲洗并烘干，完成光刺激电极和记录电极的释放。
[0095] 第10步：采用水溶性胶带从第一硅片上粘起光刺激电极，使第一硅片与光刺激电极分离，将光刺激电极的下表面朝上固定在基片上，然后在光刺激电极的下表面先溅射一层钛(Ti)，再在钛层上溅射第一二氧化硅(SiO2)层；其中，钛(Ti)层的厚度为3～10nm，钛(Ti)作为粘附层，提高第一二氧化硅层2与第一聚酰亚胺衬底的结合力。第一二氧化硅层2的厚度为30～100nm，第一二氧化硅(SiO2)层将和硅橡胶基底发生化学反应。
[0096] 采用水溶性胶带从第二硅片上粘起记录电极，使第二硅片与记录电极分离；将记录电极的下表面朝上固定在基片上，然后在记录电极的下表面先溅射一层钛(Ti)，再在钛层上溅射第二二氧化硅(SiO2)层8，钛(Ti)层的厚度为3～10nm；钛(Ti)层作为粘附层，提高第二二氧化硅层8与第二聚酰亚胺衬底层9的结合力。第二二氧化硅层8的厚度为30～100nm，第二二氧化硅(SiO2)层8将和硅橡胶基底发生化学反应。
[0097] 第11步，选取玻璃片，在玻璃片上方覆盖一层PI胶带，之后将表面沉积有一层聚对二甲苯的载玻片用PI胶带固定在玻璃片上，并在载玻片上即在聚对二甲苯上喷涂一层脱模剂，之后在脱模剂上旋涂一层超弹性硅橡胶作为第一层弹性基底1；旋涂的超弹性硅橡胶选取美国Smooth-on公司生产的铂催化硅橡胶Dragonskin或Ecoflex系列。
[0098] 第12步：采用UV紫外光照射第一层弹性基底1，之后再将粘有光刺激电极的水溶性胶带转印到第一层弹性基底1表面，使光刺激电极溅射有第一二氧化硅层2的一面与第一层弹性基底1表面接触，并在一定压力作用下，放置烘箱中，之后热水溶解水溶性胶带。
[0099] 第13步：将掩膜对准贴附在光刺激电极上，通过掩膜暴露的金属焊盘用来刷涂导电银浆，光刺激电极上完成焊料图形化；在具体实施例中掩膜为PET，PET掩膜厚度为12.5～25μm，通过激光切割，刻蚀出直径为75～80μm的小孔，保证对准时暴露出光刺激电极的金属焊盘，以便于刷涂获取图形化导电银浆，用来连接固定微型LED芯片6。
[0100] 第14步：利用图形化模具，倒模得到凹模印章，将微型LED芯片6固定在印章的凹坑内，完成多个微型LED芯片6的转印，形成微型LED芯片6阵列，放入烘箱，使光刺激电极上的导电银浆完全固化并导电。
[0101] 第15步：在光刺激电极的尾端利用掩膜刷涂导电银浆形成光刺激电极接口，选取PI软排线，将PI软排线在盖玻片的压覆下对准光刺激电极接口，使光刺激电极接口与PI软排线的前端连接成一体器件，保持上方压力作用下，放入烘箱；在刷涂导电银浆时所使用的掩膜材料选用厚度可以为15～25μm的不锈钢片，通过激光切割出比电极接口长方形焊盘尺寸小的开孔，避免压覆过程中导电银浆扩散到相邻的焊盘区域。
[0102] 第16步：在光刺激电极接口和PI软排线连接区域涂覆密封胶，对整个器件表面进行氧等离子体预处理，并将聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜覆盖于PI软排线的后端，在整个玻璃片上旋涂一层超弹性硅橡胶作为第二层弹性基底7，并在旋涂后立即揭开聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜，使PI软排线的后端暴露；具体实施时：氧等离子体预处理时间为30～120秒，主要目的是保证弹性硅橡胶封装层和硅橡胶衬底层之间结合牢靠和密封效果。
[0103] 第17步：采用UV紫外光照射第二层弹性基底7，将第10步中制备的粘有记录电极的水溶性胶带对准位置，将记录电极溅射有第二二氧化硅层8的一面转印到第二层弹性基底7表面，并在一定压力作用下，放置烘箱中，随后放入热水中溶解水溶性胶带。
[0104] 第18步：记录电极接口利用掩膜刷涂导电银浆，在盖玻片的压覆下将PI软排线对准到记录电极接口，保持上方压力作用下，放入烘箱。
[0105] 第19步：在记录电极接口和PI软排线连接区域涂覆硅酮密封胶，通过激光切割硅橡胶弹性基底层和硅橡胶弹性封装层，获得集成器件的轮廓。
[0106] 第20步：从载玻片上释放整个集成器件，并对集成器件的电极点进行电化学改性。
[0107] 在其他优选实施例中，电极修饰材料可以选用氧化铱(IrOx)，聚乙撑二氧噻吩(PEDOT:PSS)，铂黑(Pt-black)等，用于降低电极点的电化学阻抗、提升信噪比，保证良好的信号拾取能力。
[0108] 在一具体实施例中，参照图2所示，光电集成可拉伸柔性神经电极的制备方法中的集成工艺流程图，包括以下步骤：
[0109] 第一步：在3寸透明玻璃片上覆盖一层聚酰亚胺(PI)胶带，随后将表面沉积有一层聚对二甲苯(Parylene-C)的透明载玻片，用聚酰亚胺(PI)胶带两端固定在玻璃片上，并喷涂脱模剂，随后旋涂一层厚度为100μm的Dragonskin超弹性硅橡胶作为第一层弹性基底1。
[0110] 第二步：在三轴移动台上将厚度为12.5μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)掩膜对准贴附在光刺激电极上，圆形开孔直径尺寸为80μm，对准光刺激电极的金属焊盘刷涂导电银浆，揭开PET掩膜，完成导电银浆图形化。
[0111] 第三步：UV紫外光照射第一层弹性基底110分钟，将粘有光刺激电极的美国AQUASOL水溶性胶带，转印到第一层弹性基底1表面，并在一定压力作用下，放置80度烘箱中10分钟，随后在50度热水中搅拌，溶解水溶性胶带。
[0112] 第四步：光刻图形化厚度为25μm的SU-8凸模结构，旋涂液态PDMS，固化倒模得到PDMS凹模印章，将微型LED芯片6固定在印章凹坑内，在三轴移动台上完成微型LED芯片6阵列的转印，随后在100度烘箱里放置6小时。
[0113] 第五步：光刺激电极接口利用厚度为20μm的不锈钢掩膜刷涂导电银浆，选取长度为35mm的PI软排线，在盖玻片的压覆下对准光刺激电极接口，保持上方压力作用下，放入100度烘箱6小时完成导电银浆充分固化。
[0114] 第六步：光刺激电极接口和PI软排线连接区域涂覆弹性透明硅酮密封胶705完成接口封装，随后对整个器件表面进行氧等离子体预处理60秒，并用PET薄膜覆盖短PI软排线后端。在整个器件表面旋涂一层厚度为100μm的Dragonskin超弹性硅橡胶作为第二层弹性基底7，并在旋涂后立即揭除PET薄膜，保证短PI软排线后端暴露。
[0115] 第七步：UV紫外光照射第二层弹性基底710分钟，将粘有记录电极的AQUASOL水溶性胶带对准位置，转印到第二层弹性基底7表面，并在一定压力作用下，放置80度烘箱中10分钟，随后在50度热水中搅拌，溶解水溶性胶带。
[0116] 第八步：记录电极接口利用厚度为20μm的不锈钢掩膜刷涂导电银浆，在盖玻片的压覆下对准PI软排线到记录电极接口，保持上方压力作用下，放入100度烘箱6小时完成导电银浆充分固化。
[0117] 第九步：记录电极接口和PI软排线连接区域涂覆弹性透明硅酮密封胶705完成接口封装，采用功率为400W的激光，切割硅橡胶弹性基底层和硅橡胶弹性封装层，获得精准电极轮廓。
[0118] 第十步：从载玻片上用镊子轻轻挑起，即可释放整个集成好的器件，并在氯铂酸溶液中超声电镀铂黑完成电极点改性。
[0119] 参照图3所示，为记录电极点14和微型LED芯片6的相对位置和尺寸图，3×3记录电极阵列中记录电极点14直径为100μm，中心间距为700μm，参比电极直径为250μm，2×2微型LED芯片6阵列中，每个LED周围分布有4个记录电极点14，微型LED芯片6尺寸为180×230μm，相邻微型LED芯片6的中心间距同样为700μm。
[0120] 参照图4所示，为光电集成可拉伸柔性神经电极的截面结构和尺寸示意图，可以看到，微型LED芯片6可以透过几乎透明的Dragonskin硅橡胶出射主波长约为470nm蓝光17，并且和记录电极点14在水平方向保持有一定距离；光刺激电极厚度为10μm，记录电极厚度为7.5μm，微型LED厚度为50μm，弹性基底层和弹性封装层厚度均为100μm。
[0121] 参照图5a、5b所示，为光电集成可拉伸柔性神经电极的蛇形线结构设计图，可以看出，随着弹性基底的拉伸，电极的蛇形导线可以承受一定程度的变形，设计的可拉伸柔性神经电极面向小鼠大脑皮层模型，蛇形布线相比直线会占用更大的平面空间，因此需要尽可能减小线宽，但同时要兼顾器件的可靠性，金属导线过细在制备和使用过程中更加容易失效，因此，参照图5c所示，蛇形线结构设计采用如下设计参数：圆心角θ＝225度，金属导线宽度Wmetal＝25μm，导线宽度WPI＝50μm，圆弧内角半径R＝50μm。
[0122] 参照图6所示，为光电集成可拉伸柔性神经电极器件照片，通过电极前端局部放大，可以看到集成后的记录电极点14和微型LED芯片6的相对位置，第二层弹性基底7上表面的反光纹路，是转印记录电极过程中，水溶性胶带表面所沉积的SiO2薄膜，属于透明薄膜，不影响LED光线的穿透照射。
[0123] 参照图7所示，为光电集成可拉伸柔性神经电极在小鼠大脑皮层进行同步光刺激和电记录工作示意图，器件可贴附在小鼠大脑皮层单侧脑区使用，记录电极和光刺激电极同时工作，通过脑电信号采集排线20、LED供电排线19，进行脑电信号采集位点18采集和LED供电。
[0124] 在具体实施时，还可以将杨氏模量为160kPa的Dragonskin硅橡胶，替换为杨氏模量为60kPa的Ecoflex硅橡胶。更加柔软的弹性基底有助于提升电极的拉伸性，以及与大脑皮层之间更容易形成保形贴附状态。同时，可以将记录电极的第一聚酰亚胺衬底层3和光刺激电极的第二聚酰亚胺衬底层9换成透明的Parylene-C，记录电极前端金属层即金属记录层12的前端记录电极点14及附近连线换成透明的导电材料，例如：采用氧化铟锡，石墨烯或银纳米线等，提高透明度以便于进行光学显微观察，同时可以减轻光照在金属记录电极点14上带来的光电伪迹，避免对神经信号造成干扰。柔性神经电极可以根据需要更换不同的弹性基底和电极衬底材料，而不需要改变电极的集成工艺流程。
[0125] 在另一具体实施例中，光电集成可拉伸柔性神经电极的制备方法，相关的步骤与上述具体实施例相同，变化主要在光电集成可拉伸柔性神经电极的截面结构和尺寸示意图中记录电极和光刺激电极的电极厚度选择上。由于光刺激电极需要刷涂导电银浆和转印微型LED芯片6，需要较硬的衬底，尤其是在更加柔软的弹性基底层上进行挤压转印时，较厚的PI电极衬底可以提供更硬的支撑，因此，光刺激电极的第一聚酰亚胺衬底层3和第一聚酰亚胺封装层5，厚度可增加为10μm，光刺激电极总厚度达到20μm。
[0126] 同时，将记录电极贴附在第二层弹性基底7的上表面，相比于封装在两层弹性基底层和弹性封装层内部的光刺激电极，在拉伸过程中金属记录层12承受更大的应变，更容易失效，而通过增加第二聚酰亚胺衬底层9、聚酰亚胺绝缘层11和第二聚酰亚胺封装层13总体的厚度，可以有效减轻第二层弹性基底7拉伸过程对记录电极内金属层的影响，因此，记录电极聚酰亚胺衬底层(即第二聚酰亚胺衬底层9)和记录电极的聚酰亚胺封装层(即第二聚酰亚胺封装层13)厚度可以增加到5μm，记录电极聚酰亚胺绝缘层11厚度保持不变，有利于发挥记录电极金属屏蔽层10的电磁屏蔽能力，记录电极总厚度达到12.5μm。
[0127] 柔性神经电极的集成方法可以扩展集成更多不同类型的柔性生物信号传感器和执行器到柔性神经电极当中，为功能复杂的高集成度脑机接口的发明提供了可能。
[0128] 以上对本发明的具体实施例进行了描述，需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
