一种低损伤植入式脑神经化学电极及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种低损伤植入式脑神经化学电极及其制备方法，属于电化学分析技术领域。本发明专利技术的电极以碳纤维作为骨架，并直接在碳纤维表面修饰绝缘层和具有生物相容性的导电聚合物缓冲层；所述化学电极的整体厚度不超过50μm。本发明专利技术所述低损伤植入式脑神经化学电极具有植入截面小，生物相容性好等优点，极大地减少了植入电极对脑组织的损伤和可能带来的炎症反应，利于实现长时程植入。同时，该电极支持快速扫描伏安法等电化学分析方法，可实现多巴胺等神经化学物质的原位高灵敏检测。在各种神经生理、病理过程研究领域具有较好的应用价值。值。值。

【技术实现步骤摘要】
一种低损伤植入式脑神经化学电极及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种低损伤植入式脑神经化学电极及其制备方法，属于电化学分析


技术介绍

[0002]随着脑科学技术的发展，脑内神经化学物质的原位实时检测在神经生理、病理研究工作中起到越来越重要的作用。电化学方法因其可以实现高时空分辨率、灵敏度和选择性，也逐渐成为脑神经化学研究的重要手段。目前的电化学原位检测技术依赖于微电极技术，通过将电极植入目标脑区实现分析检测。而电极的植入则会造成组织损伤以及伴随的炎症反应等一系列问题，大大限制了其在长时程脑神经化学研究中的应用。因此，如何最大程度减少植入损伤，是电化学分析方法在活体原位分析领域应用面临的重要挑战。
[0003]微电极对神经组织造成损伤的原因主要包括：植入过程造成的急性机械损伤，电极长期植入与组织产生位移时造成的机械损伤，以及电极表面化学造成的生物毒性损伤。目前实现低损伤长期植入的策略主要包括使用小尺寸(直径不大于100μm)的刚性电极或使用低模量柔性电极。这些策略虽然在一定程度上缓解了植入式电化学电极的损伤问题，但仍然存在一些不足：刚性小尺寸电极虽然可以减小植入过程的急性损伤，但其与组织之间模量的差异仍然会在长期植入过程中造成一定的组织损伤。柔性电极虽然能够很好地贴合组织避免滑移，但为了能够将其植入，通常需要使用刚性导轨协助植入，从而造成更大的急性机械损伤。
[0004]碳纤维因其具有极佳的导电性、机械强度、化学稳定性以及电催化性能而被广泛应用于活体原位电化学分析中。但是，专利技术人发现，现有微电极制备方法通常采用拉制的玻璃管，而大尺寸的刚性电极在电极植入时会造成较大的急性植入损伤，并在长期植入过程中会引起炎症反应，影响记录结果。通过文献调研，专利技术人发现引起这一问题的主要因素是植入电极尺寸过大以及材料模量与组织差异过大。目前解决这一问题的方案主要通过制备更细的刚性电极或制备柔性电极。然而刚性电极仍然不能解决模量差异的问题，而柔性电极为了能够植入通常也需要植入过程使用刚性导轨协助植入目标脑区，使得这些方法仍然可能造成额外的组织损伤。
[0005]因此，发展能够兼具刚性和柔性电极优势的低损伤植入式微电极十分重要。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是为了解决传统微电极植入对脑组织损伤大的问题，提供一种低损伤植入式脑神经化学电极及其制备方法。本专利技术采用以碳纤维作为骨架，并直接在碳纤维表面修饰绝缘层和具有生物相容性的有机聚合物修饰层。本专利技术在保留了碳纤维优异的机械特性和电化学性能的同时又避免了刚性材料与组织的直接接触。进一步地，专利技术人使用导电高分子聚合物作为缓冲层时，还可以将其作为对电极，进一步减少长期记录过程中植入电极的数量。通过对电极制备过程中各修饰层厚度的调节，可以在保证电极性能的同时
将电极尺寸控制在10～50μm，从而显著减少植入损伤。
[0007]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。
[0008]一种低损伤植入式脑神经化学电极，包括碳纤维、绝缘层和导电聚合物修饰层三部分。
[0009]一种低损伤植入式脑神经化学电极的制备方法包括：(1)截取碳纤维，并将其一端用导电胶固定于铜丝末端；(2)在固定有碳纤维的铜丝表面包覆绝缘层；(3)在绝缘层表面包覆导电聚合物修饰层；(4)将导电聚合物层经导电胶用铜丝引出，连接处用树脂绝缘加固；(5)将电极纤维末端进行裁剪、打磨，使暴露碳纤维截面，即可用作低损伤植入式微电极；(6)使用后的电极可重新裁剪、打磨，暴露新鲜碳纤维截面重复使用。
[0010]步骤(1)中所述碳纤维为直径5～10μm的气相生长碳纤维或聚合物热解碳纤维。截取长度根据目标植入脑区深度进行选取，通常为5～20mm。
[0011]步骤(2)中所述绝缘层为采用真空蒸镀法制备厚度为1～2μm的派瑞林包覆层。真空蒸镀过程能够在碳纤维表面形成超薄且致密的绝缘层，防止电极植入部分短路。专利技术人通过实验发现，对于所述电极设计，1～2μm厚度的绝缘层能够起到良好的绝缘效果，绝缘层更薄时(如对比例1所述，500nm)容易出现绝缘层开裂短路的情况，导致电极失效。
[0012]由于电极纤维直径小，且派瑞林包覆层具有较强的疏水性。会为导电聚合物包覆带来困难。为此，专利技术人提出如下步骤实现导电聚合物修饰层的修饰：
[0013]步骤(3)中所述导电聚合物修饰层修饰步骤包括：(1)将Nafion溶液、EDOT、FeCl3按照摩尔比2:1:4的比例混合，室温搅拌24h。(2)将反应产物使用500Da透析袋进行透析纯化。(3)将产物离心，并使用乙醇分散，得到PEDOT:F分散液。(4)在微电极表面涂覆PEDOT:F溶液并干燥。(5)使用浸渍提拉法在微电极表面包覆PEDOT:PSS修饰层。该修饰层厚度为1～10μm。能够用作机械缓冲层，且具有良好的生物相容性。此外，PEDOT:PSS还具备良好的导电性，可进一步用作对电极实现安培法和伏安法的原位检测，减少额外的电极植入。
[0014]根据本专利技术的实施例，在深部脑区的电极植入过程中可以通过浸渍提拉法在电极纤维表面包覆10～100μm厚度的聚乙二醇涂层实现对电极未植入部分的支撑。当电极植入时，用作支撑的聚乙二醇会迅速溶解，不会造成额外的组织损伤。
[0015]支持两电极体系和三电极体系连接方式，能够兼容多种活体电化学分析方法；能够用于电活性神经化学物质检测。
[0016]有益效果
[0017]1.本专利技术采用碳纤维为基底能够提供良好的机械、电学、电化学性能利于实现电极植入并提供良好的电化学响应。
[0018]2.本专利技术使用有机聚合物对碳纤维进行绝缘、功能化。在大幅减小电极直径的同时还可以有效地提高电极
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组织接触面的生物相容性并降低模量提供机械缓冲，从而有效减少电极植入带来的损伤。
[0019]3.本专利技术以碳纤维作为工作电极，使用导电聚合物涂层作为对电极；也可使用额外的参比电极和对电极，构成活体原位电化学测量系统。
附图说明
[0020]图1A为本专利技术所述低损伤植入式微电极示意图；
[0021]图1B为本专利技术所述低损伤植入式微电极电极纤维部分剖面示意图；
[0022]图1C为本专利技术所述低损伤植入式微电极电极连接部分剖面示意图；
[0023]图2A为实施例1提供的低损伤植入式微电极电化学表征循环伏安图；
[0024]图2B为实施例1提供的低损伤植入式微电极导电聚合物修饰层电化学表征循环伏安图；
[0025]图3A为实施例2提供的低损伤植入式微电极在不同浓度多巴胺溶液中的快速扫描伏安图；
[0026]图3B为实施例2提供的低损伤植入式微电极在不同浓度抗坏血酸溶液中的快速扫描伏安图。
[0027]其中，1—工作电极(碳纤维)连接线、2—对电极(聚合物导电层)连接线、3—绝缘树脂、4—一体化电极纤维、5—碳纤维、6—绝缘层、7—导电聚合物修饰层、8—导电胶。
具体实施方式
[0028]下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低损伤植入式脑神经化学电极，其特征在于：以碳纤维作为骨架，并直接在碳纤维表面修饰绝缘层和具有生物相容性的导电聚合物修饰层；所述化学电极的整体厚度不超过50μm。2.制备如权利要求1所述低损伤植入式脑神经化学电极的方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)截取碳纤维，并将其一端用导电胶固定于铜丝末端；(2)在固定有碳纤维的铜丝表面包覆绝缘层；(3)在绝缘层表面包覆导电聚合物修饰层；(4)将导电聚合物修饰层经导电胶用铜丝引出，连接处用树脂绝缘加固；(5)将电极纤维末端进行裁剪、打磨，使暴露碳纤维截面，以用作低损伤植入式微电极；(6)使用后的电极可重新裁剪、打磨，暴露新鲜碳纤维截面重复使用。3.如权利要求2所述方法，其特征在于：步骤(1)中所述碳纤维为直径5～10μm的气相生长碳纤维或聚合物热解碳纤维；截取长度为5～20mm；步骤(2)中所述绝缘层为采用真空蒸镀法制备厚度为1～2μm的派瑞林包覆层。4.如权利要求2所述方法，其特征在于：步骤(3)的具体包覆方法为：(1)将Nafion溶液、EDOT和FeCl3按照摩尔比2:1:4的比例混合，室温搅拌均匀；透析纯化后进行离心，并使用乙醇分散，得...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛兰群，薛亦飞，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：