一种微型柔性生物电极阵列及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种微型柔性生物电极阵列，其中，所述微型柔性生物电极依次包括细菌纤维素膜、金属导电层和绝缘层。所述微型柔性生物电极具有良好的柔性、生物相容性、低阻抗、高通量等优点。本发明专利技术还提供了所述微型柔性生物电极的制备方法。

A miniature flexible biological electrode array and its preparation method

The invention provides a micro flexible biological electrode array, in which the micro flexible biological electrode in turn includes a bacterial cellulose membrane, a metal conductive layer and an insulating layer. The micro flexible biological electrode has the advantages of good flexibility, biocompatibility, low impedance and high throughput. The invention also provides a preparation method of the micro flexible biological electrode.

【技术实现步骤摘要】
一种微型柔性生物电极阵列及其制备方法
本专利技术属于生物电化学分析领域。具体而言，本专利技术提供了一种微型柔性生物电极阵列及其制备方法。
技术介绍
随着全球化石能源的日益短缺，人们对可再生资源的关注程度越来越高，通过微生物合成的细菌纤维素作为天然高聚物，具有优异的力学性能、低密度、完美的网络结构和优良生物相容性，作为新型材料应用于各个领域已成为当今的研究热点。柔性生物电极因其具有柔性特征，既能贴附于不规则物体或刚性物体表面、也能贴附于人体皮肤，作为可穿戴的人体健康监测设备检测及植入性生物电极等领域有着潜在的应用。传统的生物电极技术，在采集生物电信号的时候需要提供很低的接触阻抗，在这种要求下需要用导电物质来实现。外加的导电物质容易变硬固化，对于长期监测人体的系统来说是个瓶颈。国内外学者在柔性生物电极方面做了一些探索。目前，已报道的有中国专利（专利公开号：CN105428091A）公开了一种细菌纤维素石墨烯纸负载氢氧化镍柔性电极材料的制备方法，该方法解决了现有制备导电膜材料比电容量低和力学性能差的问题，但制备过程中仍存在石墨烯作为导电物质的分散和比例的问题，且制备工序较复杂；中国专利（专利公开号：CN104078248A）公开了一种柔性电极的制备方法，聚苯胺和石墨烯或氧化石墨烯的协同效应，能够有效的提高柔性电极的电容特性，提高柔性电极的电容量，但是聚苯胺不具有较好的生物相容性，长期植入体内会因为异物植入带来的机体排异反应和炎症反应，并影响生物体的进行正常生理活动；中国专利（专利公开号：CN103889376A）公开了生物相容性电极部件及其制造方法，通过提供可用于生物应用的电极的替代或改良方法，克服或减轻了现有制备过程中毒性残留物的问题，但是以玻璃或硅酮作为基底难以实现弯折及曲面位置的贴服，在植入体内过程中，会持续对周边组织器官造成伤害。市场上出现的植入电极，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，仅单侧植入费用就高达10万人民币左右。此外，由于柔性基底的局限性，目前报道在柔性基底上加工微电极阵列很少能达到30微米精度。
技术实现思路
因此，基于上述已有技术的缺陷，为了解决现有生物电极生物性能及力学性能差，尺寸较大，使用寿命短等问题，本专利技术的目的是提供一种微型柔性生物电极阵列及其制备方法。针对上述专利技术目的，本专利技术是通过下述技术方案实现的：本专利技术提供一种微型柔性生物电极阵列，其中，所述微型柔性生物电极依次包括细菌纤维素膜、金属导电层和绝缘层。优选地，根据前述的微型柔性生物电极阵列，其中，所述细菌纤维素膜的厚度为10微米~100微米。更优选地，根据前述的微型柔性生物电极阵列，其中，所述金属导电层中的金属选为Pt、Ti、Au和Cr中的一种或多种。再优选地，根据前述的微型柔性生物电极阵列，其中，所述金属导电层中的Pt厚度为50~200nm，Ti厚度为20~30nm，Au厚度为50~200nm，和/或Cr厚度为10nm。其中，所述金属导电层可以为Pt/Ti或者Au/Cr金属导电层。还优选地，根据前述的微型柔性生物电极阵列，其中，所述绝缘层为SU8光刻胶或氮化硅（SiNx）。进一步优选地，根据前述的微型柔性生物电极阵列，其中，所述SU8光刻胶的厚度为100~500nm，和/或所述氮化硅的厚度为800nm。本专利技术提供上述的微型柔性生物电极阵列的制备方法，其中，所述制备方法包括：（1）热压干细菌纤维素形成细菌纤维素薄膜，（2）在步骤（1）形成的细菌纤维素薄膜上加工微电极阵列形成表面具有金属导电层的细菌纤维素薄膜，（3）在步骤（2）形成的金属导电层表面制备绝缘层。其中，步骤（1）可以包括：将湿润的细菌纤维素膜夹在两个表面平整的不锈钢板表面，2-5KPa的压力、100℃的高温条件下热压干24小时后得到超薄细菌纤维素膜。可以根据实际需要选择不同厚度的湿态膜和不同压力来控制形成厚度介于10微米~100微米之间厚度的薄膜。优选地，根据前述的制备方法，其中，步骤（2）加工微电极阵列的方法包括：使用荫罩（shadowmask）方法，将电极金属掩膜覆盖在所述细菌纤维素薄膜上，采用磁控喷溅或蒸镀方式在所述细菌纤维素薄膜的表面镀上所述金属导电层。更优选地，根据前述的制备方法，其中，步骤（3）制备绝缘层的方法包括：利用光蚀刻的原理在所述导电金属层表面覆盖一层SU-8光刻胶。其中，所述制备绝缘层的方法具体可以包括：利用光蚀刻的原理在导电金属表面覆盖一层SU-8光刻胶。用SU-82000.5光刻胶，光刻蚀匀胶机转速200rpm，95℃前烘下1分钟，UV曝光30S，后烘95℃下1分钟。在所述导电金属层表面形成100-500nm的SU-8绝缘层。再优选地，根据前述的制备方法，其中，步骤（3）制备绝缘层的方法包括：利用低温等离子体增强化学气相沉积法（IPECVD）或等离子体增强化学气相沉积法（PECVD），在所述导电金属层表面沉积上一层氮化硅组成绝缘层。其中，上述的微型柔性生物电极阵列的制备方法还可以包括细菌纤维素的发酵培养及纯化、其具体可以包括：细菌纤维素是由木醋杆菌在30℃的HS培养基里发酵培养获得厚度均匀的薄膜，细菌纤维素膜的厚度是可调节的，通过控制发酵时间可以获得不同厚度的细菌纤维素膜，可以根据后期制备电极所需不同厚度的基底来选择不同的纤维素膜来压缩干燥（发酵不同时间的细菌纤维素膜）（图1）。然后用去离子水浸泡两头出去残余的培养基，然后再2%的NaOH煮沸1小时，进一步出去残余菌体及培养基以纯化细菌纤维素。120℃高温高压灭菌备用。细菌纤维素的弹性模量为一般植物纤维的数倍至十倍以上，并且抗张强度高，采用微细加工工艺，本专利技术成功制备出了一种基于细菌纤维素为基底的用于生物体的柔性微电极阵列，提高柔性生物微电极的生物相容性和长期稳定性，为柔性生物电子器件领域的研究提供参考依据，也为脑电极阵列研究及广泛的应用提供方向。与现有生物电极相比，本专利技术有如下特点及优点：（1）细菌纤维素具有可再生环保，力学性质强（如抗拉伸性质、柔性度等）、高亲水性、低阻抗、细胞毒性低等优良特性，（2）利用电极功能材料的修饰增强了电极的生物相容性、细胞的亲和力和稳定性，（3）在电极阵列集成化的基础上，利用微纳材料的小尺寸效应和界面效应，提高了检测的灵敏度和信噪比，（4）可以制备出30微米超细微电极阵列并可以精确测量单根神经的电生理信号。附图说明以下，结合附图来说明本专利技术的实施方案，其中：图1示出了利用不同厚度膜热压干技术制备的10微米、50微米和100微米三种厚度的细菌纤维素薄膜；图2A和图2B分别示出了实施例1制备的厚100nm的微型柔性生物电极阵列的表面扫描显微镜图（SEM图）和截面SEM图；图2C和图2D分别示出了实施例2制备的厚200nm微型柔性生物电极阵列的表面扫描显微镜图（SEM图）和截面SEM图；图3A示出了基于实施例3制备的可植入微型柔性生物电极阵列的电极阵列图;图3B示出了基于实施例3制备的用于体外检测的微型柔性生物电极阵列的电极阵列图;图4A示出了30微米宽度的电极阵列的显本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微型柔性生物电极阵列，其特征在于，所述微型柔性生物电极依次包括细菌纤维素膜、金属导电层和绝缘层。

【技术特征摘要】
1.一种微型柔性生物电极阵列，其特征在于，所述微型柔性生物电极依次包括细菌纤维素膜、金属导电层和绝缘层。2.根据权利要求1所述的微型柔性生物电极阵列，其特征在于，所述细菌纤维素膜的厚度为10μm~100μm。3.根据权利要求1或2所述的微型柔性生物电极阵列，其特征在于，所述金属导电层中的金属选为Pt、Ti、Au和Cr中的一种或多种。4.根据权利要求3所述的微型柔性生物电极阵列，其特征在于，所述金属导电层中的Pt厚度为50~200nm，Ti厚度为20~30nm，Au厚度为50~200nm，和/或Cr厚度为10nm。5.根据权利要求1-4中任一项所述的微型柔性生物电极阵列，其特征在于，所述绝缘层为SU-8光刻胶或氮化硅。6.根据权利要求5所述的微型柔性生物电极阵列，其特征在于，所述SU-8光刻胶的厚度为100~500nm，和/或所述氮化硅的厚度为800nm。7.权利要求1-6中任一项所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋兴宇，杨俊川，王乐，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：北京,11