【技术实现步骤摘要】
本公开涉及包括金属化石墨烯纤维的微电极阵列的制造生物传感器和生物电子应用。
技术介绍
1、可以长期植入的微电极可以使人造设备与神经系统之间进行通信。基于电刺激或动作电位记录的神经假体和疗法涉及与中枢和周围神经系统接口的电极。需要功能性微电极与单个神经元通信以记录生物信号，同时传递足够数量的电荷以使神经组织去极化并启动反应。现有的微电极技术已经遇到了巨大的挑战和局限性。
2、例如，虽然机器和神经系统之间的有效的双向通信需要到达具有相当于单个神经元的尖端大小的低阻抗软微电极(d<50μm，几何表面积<2000μm2)，但是由贵金属(即金、铂(pt)和铂/铱)和晶体硅构成的常规微电极的性能由于其高阻抗、低电荷注入容量(0.05-0.26mc/cm2)、低表面积和在电极和周围组织之间引起疤痕和设备故障的机械失配而受到限制。
3、因此，在用于神经刺激和记录的界面处电极的材料的选择影响神经接口的功效、可靠性和寿命。此外，在刺激和记录期间，电极必须传递并记录足够量的电荷，但不超过触发周围介质电解的阈值。常规的基于金属的电极的低表面积本质上限制了其传递高电荷密度的能力，并且不利地影响了单个神经元信号记录的灵敏度。
4、这些局限性促使评估诸如纳米结构碳、纳米结构纤维、金属氧化物、金属氮化物和有机导体之类的其他材料，以提供具有生物相容性的增强的电化学特性。但是，这类材料带来了额外的挑战。例如，通过氮化钛(tin)涂层通过电容机制将pt电极的电荷注入容量从0.05-0.26mc/cm2提高到0.87mc
5、另外，常规的低阻抗微电极的刚度不足以穿透软神经组织，但是具有柔韧性或可拉伸性以最小化与组织的机械失配并且一旦植入就适应微运动。
6、包括石墨烯在内的纳米结构碳质材料可提供出色的电化学特性，同时实现柔韧性和强度。纳米管和石墨烯微纤维具有出色的电化学性能、高表面积、机械强度、高柔韧性和生物相容性，因此非常适合电极制造。实际上，与金属电极和常规碳纤维相比，碳纳米管纤维在植入时表现出显著的电化学活性、灵敏度和抗生物结垢性。然而，尽管基于纯碳纳米管的纤维微电极是稳定的并且能够在相对较长的时间段内记录神经活动，但是用于制造纳米管的纺丝工艺却具有挑战性。此外，生产超对准碳纳米管阵列(干法纺丝)的高成本以及其制造所需的极其严格的条件(包括高温(>1000℃))和使用腐蚀性溶剂(如发烟硫酸和氯磺酸)极大地限制了基于碳纳米管的微纤维的生产。
7、此外，常规的自立式碳纳米管和石墨烯微纤维的另一个主要缺点在于与金属同类材料相比的高电阻率。当微电极长于几毫米时，电阻率显著增加，这对低噪声记录提出了巨大挑战。
技术实现思路
1、本公开涉及包括金属化石墨烯纤维的微电极阵列的制造生物传感器和生物电子应用。在一些实施方案中，具有薄铂涂层的柔性且自支撑的基于石墨烯纤维的微电极阵列作为集电器的制造导致具有低阻抗、高表面积和优异的电化学性质的结构。可以使用氧化石墨烯(lcgo)的液晶分散体来制造石墨烯纤维。石墨烯纤维除了具有天然的生物相容性外，还具有独特的机械和电化学性能。与常规石墨烯或pt电极相比，所得的微电极阵列可提供更好的性能。特别地，在一些实施方案中，石墨烯纤维的低阻抗和多孔结构导致无与伦比的电荷注入容量以及改善的记录和检测神经元活动的能力，而薄的pt层有效地沿微电极转移收集的电子。此外，与常规的微电极阵列相比，所得的微电极阵列还可以以改善的信噪比检测神经元活动。
2、在一些实施方案中，可植入电极包括多层石墨烯纤维芯、围绕多层石墨烯纤维芯的绝缘涂层以及设置在多层石墨烯纤维芯和绝缘涂层之间的金属层。在一些实施方案中，多层石墨烯纤维芯不包括粘合剂材料。任选地，绝缘涂层可以是基于聚合物的涂层，例如parylene-c或硅树脂。在一些实施方案中，绝缘涂层具有约2μm的厚度。在一些实施方案中，金属层可以与多层石墨烯纤维芯相邻，并且金属层完全或部分地覆盖石墨烯纤维芯的表面部分，其中多层石墨烯纤维芯被全部或部分包封。在一些实施方案中，金属层覆盖多层石墨烯纤维芯的大约一半表面。在一些实施方案中，金属层与多层石墨烯纤维芯相邻，并且金属层覆盖石墨烯纤维芯的表面部分，其中多层石墨烯纤维芯被全部包封。在一些实施方案中，金属层包括铂、铱、氧化铱、铂-铱和氮化钛中的至少一种。在一些实施方案中，金属层的厚度在约10nm至约500nm之间的范围内。在一些实施方案中，多层石墨烯纤维芯的直径在约10μm至约200μm之间的范围内。
3、在一些实施方案中，一种用于制造可植入电极的方法包括以下步骤：通过在液晶中原位还原完全有序的氧化石墨烯片来形成多层石墨烯纤维芯，用金属层涂覆多层石墨烯纤维芯的至少一部分，并用绝缘涂层涂覆多层石墨烯纤维芯和金属层。通过进行原位还原形成多层石墨烯纤维芯可以包括使用包含酸的凝结浴湿纺氧化石墨烯的液晶分散体。任选地，酸包括次磷酸。任选地，金属层包括铂、铱、氧化铱、铂-铱和氮化钛中的至少一种。任选地，金属层的厚度在约10nm至约500nm之间的范围内。任选地，绝缘涂层包括parylene-c。
4、在一些实施方案中，一种记录和刺激周围神经的方法包括通过接合周围神经来植入可植入电极，其中该可植入电极还包括多层石墨烯纤维芯、围绕多层石墨烯纤维芯的绝缘涂层以及设置在多层石墨烯纤维芯和绝缘涂层之间的金属层，以及记录和刺激所述周围神经中的至少一项。任选地，接合周围神经可以包括将可植入电极植入在周围神经内、穿过周围神经缝合或在周围神经上方缝合。任选地，周围神经可以支配一个或多个器官，包括心脏、肺、胃、肝、胰、肾、以及在盆腔和会阴区域的那些器官，等等。在一些实施方案中，系统可以用于记录和/或刺激植物神经节或皮肤感觉神经节，包括但不限于结节、肠系膜和颈动脉。另外，在一些实施方案中，根据本公开构建的系统和方法可用于记录和/或刺激神经血管丛，其中神经分支在动脉和静脉复合体(例如，脾神经或肾神经等中的那些)之间行进。
5、在一些实施方案中，一种记录和刺激周围神经的方法可以包括：从周围组织暴露和隔离目标神经；通过使可植入电极绕着暴露的目标神经经过和与可植入电极形成结中的至少一项将可植入电极接合至目标神经，并将可植入电极本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种可植入电极，包括：
2.根据权利要求1所述的可植入电极，其中所述多层石墨烯纤维芯不包括粘合剂材料。
3.根据权利要求1所述的可植入电极，其中所述绝缘涂层是基于聚合物的涂层。
4.根据权利要求3所述的可植入电极，其中所述绝缘涂层是Parylene-C。
5.根据权利要求3所述的可植入电极，其中所述绝缘涂层的厚度在约1至3μm之间。
6.根据权利要求1所述的可植入电极，其中所述金属层与所述多层石墨烯纤维芯相邻，并且所述金属层覆盖所述石墨烯纤维芯的表面部分，其中所述多层石墨烯纤维芯被部分包封。
7.根据权利要求6所述的可植入电极，其中所述金属层覆盖所述多层石墨烯纤维芯的大约一半的表面。
8.根据权利要求1所述的可植入电极，其中所述金属层与所述多层石墨烯纤维芯相邻，并且所述金属层覆盖所述石墨烯纤维芯的表面部分，其中所述多层石墨烯纤维芯被完全包封。
9.根据权利要求1所述的可植入电极，其中所述金属层包括铂。
10.根据权利要求1所述的可植入电极，其中所述金属层的厚度在大约10
11.根据权利要求1所述的可植入电极，其中所述多层石墨烯纤维芯的直径在约10μm至约200μm之间的范围内。
12.一种制造可植入电极的方法，包括：
13.根据权利要求12所述的方法，其中通过进行原位还原形成所述多层石墨烯纤维芯还包括使用包含酸的凝结浴湿纺氧化石墨烯的液晶分散体的步骤。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述酸是次磷酸。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述金属层包括铂、铱、氧化铱、铂-铱和氮化钛中的至少一种。
16.根据权利要求12所述的方法，其中所述金属层的厚度在大约10nm至大约500nm之间的范围内。
17.根据权利要求12所述的方法，其中所述绝缘涂层包括Parylene-C。
18.一种记录和刺激周围神经的方法，包括：
19.根据权利要求18所述的方法，其中接合周围神经包括将所述可植入电极植入在所述周围神经内、穿过所述周围神经缝合、或在所述周围神经上。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述周围神经在心脏、肺、胃、肝、脾、胰腺和骨盆器官中的至少之一周围。
...【技术特征摘要】
1.一种可植入电极，包括：
2.根据权利要求1所述的可植入电极，其中所述多层石墨烯纤维芯不包括粘合剂材料。
3.根据权利要求1所述的可植入电极，其中所述绝缘涂层是基于聚合物的涂层。
4.根据权利要求3所述的可植入电极，其中所述绝缘涂层是parylene-c。
5.根据权利要求3所述的可植入电极，其中所述绝缘涂层的厚度在约1至3μm之间。
6.根据权利要求1所述的可植入电极，其中所述金属层与所述多层石墨烯纤维芯相邻，并且所述金属层覆盖所述石墨烯纤维芯的表面部分，其中所述多层石墨烯纤维芯被部分包封。
7.根据权利要求6所述的可植入电极，其中所述金属层覆盖所述多层石墨烯纤维芯的大约一半的表面。
8.根据权利要求1所述的可植入电极，其中所述金属层与所述多层石墨烯纤维芯相邻，并且所述金属层覆盖所述石墨烯纤维芯的表面部分，其中所述多层石墨烯纤维芯被完全包封。
9.根据权利要求1所述的可植入电极，其中所述金属层包括铂。
10.根据权利要求1所述的可植入电极，其中所述金属层的厚度在大约10nm至大约500nm之间的范围内。...
【专利技术属性】
技术研发人员：M·罗梅罗·奥尔特加，G·华莱士，M·冈萨雷斯·冈萨雷斯，R·A·贾里里，
申请(专利权)人：德克萨斯大学系统董事会，
类型：发明
国别省市：
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