CN118384413B - 一种类骨松质空间微结构神经电极及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及脑科学及神经电极技术领域，提供了一种类骨松质空间微结构神经电极及其制备方法，包括交错设置的电刺激区域和绝缘区域；所述电刺激区域呈骨松质状的三维空间结构，以使神经组织在骨松质状的三维空间结构的孔隙中增殖分化。极大拓展了电极与神经组织的电生理交互界面，有利于神经细胞在电极内部增殖分化，使电极对脑组织形成锚固作用，减小脑组织与电极的相互漂移，缓解电极对组织磨损，提升电极生物相容性。

Description

一种类骨松质空间微结构神经电极及其制备方法

技术领域

本发明涉及脑科学及神经电极技术领域，特别涉及一种类骨松质空间微结构神经电极及其制备方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

DBS(脑深部刺激术)是治疗中晚期神经退行性疾病的重要手段。然而，由于脑组织与电极间长期相互漂移，造成组织磨损，形成胶质包膜，增加阻抗，降低电极刺激效果。

此外，传统针型电极与组织交互界面较小，单次脉冲刺激注入电荷量十分有限，严重限制电刺激治疗可调范围；而柔性电极植入脑深部后，由于刚性不足，易发生漂移，造成靶点失位，需要二次手术矫正，这给病人造成额外经济负担与生理创伤。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种类骨松质空间微结构神经电极及其制备方法，将放电区域设计成具备类似骨松质的空间微结构，极大地拓宽电极与神经组织的电生理界面，有利于神经细胞在电极内部增殖分化，使刚性电极对脑组织形成锚固作用，减小组织与电极的相互漂移，缓解电极对组织磨损，提升电极生物相容性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明第一方面提供了一种类骨松质空间微结构神经电极。

一种类骨松质空间微结构神经电极，包括交错设置的电刺激区域和绝缘区域；

所述电刺激区域呈骨松质状的三维空间结构，以使神经组织在骨松质状的三维空间结构的孔隙中增殖分化。

进一步地，所述电刺激区域和绝缘区域均呈柱状，且同轴。

进一步地，所述非电刺激区域的中轴线上设置有电极金属电芯，所述电极金属电芯的一端连接电刺激区域，电极金属电芯的另一端通过导线连接至信号控制器。

进一步地，所述绝缘区域采用具有生物相容性的材料。

进一步地，所述电刺激区域的材料为惰性金属或者合金。

本发明第二方面提供了如第一方面所述一种类骨松质空间微结构神经电极的制备方法，包括如下步骤：

获取骨组织的骨松质的三维空间轮廓和孔隙尺寸，重构出骨松质空间几何结构；

基于所述骨松质空间几何结构，依次通过布尔运算、光刻、气相沉积、电沉积和溶解，得到所述电刺激区域。

进一步地，所述布尔运算将所述骨松质空间几何结构中的实体和空隙进行反向置换，得到新三维结构。

进一步地，所述光刻的步骤包括：

将所述新三维结构进行轴向分层切割后，得到若干层切片和每层切片的层厚；

沿着所述新三维结构的轴向自下而上，对每一层通过曝光固化，层层累加，得到实体模型；所述曝光固化是指，根据每一层的层厚，均匀涂覆紫外光固化胶后，采用紫外激光束沿着切片的轮廓逐步扫描涂覆的紫外光固化胶。

进一步地，所述气相沉积将所述实体模型的表面和孔隙内表面沉积一层金属导电层。

进一步地，所述电沉积的步骤包括：

所述实体模型的经过所述气相沉积后，悬置于电解池，并与电源阴极连接；

将金属与电源阳极相连，置于电解池，在电解池中注入金属盐溶液；

接通电源，金属盐溶液中的金属阳离子在实体模型表面和孔隙内发生还原反应，同时阳极金属被氧化，不断补充金属盐溶液中的金属阳离子，使所述实体模型的表面和孔隙内持续沉积金属，直到所有空隙被填满。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明所述的一种类骨松质空间微结构神经电极，其将放电区域设计成类似骨松质的空间微结构形状，极大拓展了电极与神经组织的电生理交互界面，有利于神经细胞在电极内部增殖分化，使电极对组织形成锚固作用，减小组织与电极的相互漂移，缓解电极对组织磨损，提升电极生物相容性。

2、本发明所述的一种类骨松质空间微结构神经电极，将放电区域设计成类似骨松质的空间微结构，在不改变电极宏观尺寸的前提下，保留了电极必要刚度，有利于提升电极穿刺精度；同时，微结构设计还有利于降低电极重量，实现电极轻量化，有利于减小电极对组织的磨损。

3、本发明所述的一种类骨松质空间微结构神经电极，其放电区域大量的类似骨松质的空间微结构可拓展电极-脑组织电生理交互界面，减小电极阻抗，提升单次脉冲电荷注入量，拓宽电极治疗可调范围，改善传统神经电极刺激调控域较窄的问题，促进治疗效果。

4、本发明所述的一种类骨松质空间微结构神经电极的制备方法，其采用光刻技术和精密电沉积技术相结合的成形方式，高效精密制备大量微米、纳米尺度的复杂三维结构，有效解决了传统金属3D打印成型精度低、成形质量差等问题。

5、本发明所述的一种类骨松质空间微结构神经电极的制备方法，其采用光刻技术和电沉积精密成型技术相结合的成形方式对原材料接近100％利用率，有效避免贵金属的浪费，降低制造成本。

6、本发明所述的一种类骨松质空间微结构神经电极的制备方法，其采用微纳制造技术在神经电极放电区域构造类似骨松质的空间微结构，具有刚度好，质量轻，阻抗小，电荷注入量大以及生物相容性高等系列优点，有效解决脑深部植入手术术后组织磨损引发的胶质瘢痕等系列问题，提高了脑深部植入电极性能与寿命。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1的类骨松质空间微结构神经电极的结构图；

图2为本发明实施例1的类骨松质空间微结构神经电极的剖面图；

图3为本发明实施例1的电刺激区域的整体三维结构图；

图4为本发明实施例1的电刺激区域的微观结构图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

如图1和图2所示，本发明实施例1提供了一种类骨松质空间微结构神经电极，包括：脑深部刺激电极本体(又称，神经电极本体，或，植入电极本体)。脑深部刺激电极本体由交错设置的电刺激区域和绝缘区域组成。

神经电极本体的下端为自由端，神经电极本体的上端连接导线，导线用于与外部信号控制器连接。

植入电极本体的自由端设置若干个具备类骨松质微结构的电刺激区域(即，类骨松质放电点)。电刺激区域为电极高频放电点，内部结构呈类似骨松质的海绵状空间结构，即，电刺激区域具有类似骨松质的空间微-纳三维结构，如图3和图4所示。

其中，神经电极本体的放电区域(电刺激区域)主要为惰性金属或者合金组成，包括但不限于Au、Ag、W、Pt、Ir和Pt-Ir合金等。

植入电极本体的非电刺激区域为绝缘区域，主要由生物相容性良好的材料如聚酰亚胺、聚氨酯等制成。

非电刺激区域的中轴线上设置有电极金属电芯，电极金属电芯的一端连接电刺激区域，电极金属电芯的另一端通过导线连接至外部信号控制器。

其中，电刺激区域和绝缘区域均呈柱状，且同轴。

其中，电刺激区域设置在神经电极本体的末端部或以上1/3～2/3的几个放电部位。

其中，所述类骨松质微结构的孔隙尺寸在100nm-100μm之间。

其中，植入电极本体的宏观直径为50μm-2000μm之间。

其中，植入电极本体的放电点不少于1个，位置不完全限定于末端。

其中，植入电极本体的整体的金属材料为金、铂、铱、铂铱合金或钨中的一种或多种合金。

本实施例提供的一种类骨松质空间微结构神经电极，将放电区域设计成类骨松质空间微结构，在不改变电极宏观尺寸的前提下，保留了电极必要刚度，有利于提升电极穿刺精度；同时，微结构设计还有利于降低电极重量，实现电极轻量化，有利于减小电极对组织的磨损。

本实施例提供的一种类骨松质空间微结构神经电极，将放电区域设计成类骨松质的空间微结构形状，大大拓宽了电极与神经组织的电生理交互界面，有利于神经细胞在电极内部增殖分化，使电极对组织形成锚固作用，减小组织与电极的相互漂移，缓解电极对组织磨损，提升电极生物相容性。

本实施例提供的一种类骨松质空间微结构神经电极，大量的类骨松质空间微结构可拓展电极-脑组织电生理交互界面，减小电极阻抗，提升单次脉冲电荷注入量，拓宽电极治疗可调范围，改善传统神经电极刺激调控域较窄的问题，促进治疗效果。

实施例2

本发明实施例2提供了如实施例1中的一种类骨松质空间微结构神经电极的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、获取骨组织的骨松质的三维空间轮廓和不同部位的孔隙尺寸，重构出骨松质空间几何结构。

具体地，对哺乳动物(包括但不限于猿类)骨组织进行横向切片，采用激光共聚焦显微镜或超景深显微镜对骨松质微观结构进行纵深扫描，形成三维空间轮廓；采用精密视觉识别技术对所获骨松质三维微空隙结构的微观尺寸进行智能化快速测量，对不同部位的孔隙大小进行统计学分析，结合三维轮廓与孔隙尺寸分布特征重构类似骨松质的空间几何结构。

步骤2、采用布尔运算对骨松质微观结构(骨松质空间几何结构)进行反向置换，即将原模型的孔隙结构置换成实体模型，将原先实体模型置换成孔隙结构，得到新三维结构。

步骤3、对新三维模型进行轴向高精度分层切割，每层厚度为d，在旋转圆盘上均匀涂覆一层厚度为d的紫外(uv)光固化胶，将紫外激光束沿着该层切片实体轮廓逐步扫描，被扫描区域uv光固化胶会迅速固化，得到该切片层实体。将圆盘下移d，此时又有一层厚度为d的液态光固化胶覆盖在上一层实体表面，继续采用紫外光束沿着本层的三维实体轮廓逐步扫描，得到第二层固化后的模型实体。以此类推，沿着模型轴向自下而上(或者自上而下)对每一层模型进行曝光固化，层层累加直至得到完整模型实体。

步骤4、将打印好的实体模型清洗烘干，固定于真空腔室，采用气相沉积技术(包括但不限于磁控溅射、离子溅射、蒸发镀等技术)在实体模型表面及内部各个微孔内表面沉积一层均匀的金属导电层，使三维实体模型表面具备良好的导电性。

步骤5、将涂层处理后的实体模型悬置于电解池，并与电源阴极连接；将神经电极的常用材料如金、铂、铱等金属与电源阳极相连，置于电解池，在电解池中注入对应电源阳极金属的盐溶液。接通电源，盐溶液中的贵金属阳离子在三维模型(经过气相沉积后的实体模型)表面持续发生还原反应，同时阳极贵金属被氧化，不断补充电解液中对应的贵金属阳离子以确保电解液浓度维持动态平衡，随着氧化还原过程的持续进行，阴极三维模型表面及微空隙内部沉积的金属层不断增厚，直至完全填满所有孔隙。

步骤6、取出实体模型，清水洗净，采用光固化胶溶解剂溶解去除光刻工艺形成的三维模型，待到光刻胶完全溶解，采用酒精、去离子水等反复清洗模型，此刻得到的由贵金属沉积而成的模型，即为类骨松质结构的电极模型(类骨松质微结构的电刺激区域)。

步骤7、将制备完成的类骨松质微结构放电单元与电芯精密焊接，以完成放电区域与电极电芯的可靠连接；对非放电区域涂覆具有良好生物相容性的绝缘涂层，最终形成一种完整的具备类骨松质微结构的神经电极。

本实施例提供的一种类骨松质空间微结构神经电极的制备方法，通过对电极放电点结构的优化提升电极生物相容性和电化学性能，避免了引入额外功能涂层对电极寿命与电化学性能造成不可控的影响。

本实施例提供的一种类骨松质空间微结构神经电极的制备方法，采用光刻技术和精密电沉积技术相结合的方式，高效精密制备大量微米、纳米尺度的复杂三维结构，有效解决了金属3D打印成型精度低、成形质量差等问题。

由于神经电极材质多为铂、金、铱等贵重金属，传统3D打印需要金属粉末量大，本实施例提供的一种类骨松质空间微结构神经电极的制备方法，采用光刻技术和电沉积精密成型技术相结合的成形方式能实现原材料接近100％利用率，有效避免贵金属浪费，降低制造成本。

本实施例提供的一种类骨松质空间微结构神经电极的制备方法，采用微纳制造技术在神经电极放电区域构造类骨松质空间微结构，具有刚度好，质量轻，阻抗小，电荷注入量大以及生物相容性高等系列优点，有效解决脑深部植入手术术后脑组织磨损引发的胶质瘢痕等系列问题，提高了脑深部植入电极性能与寿命。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种类骨松质空间微结构神经电极，其特征在于：包括交错设置的电刺激区域和绝缘区域；

所述电刺激区域呈骨松质状的三维空间结构，以使神经组织在骨松质状的三维空间结构的孔隙中增殖分化；所述电刺激区域和绝缘区域均呈柱状，且同轴；电刺激区域设置在神经电极本体的末端部或以上1/3～2/3的几个放电部位；

其中，采用激光共聚焦显微镜或超景深显微镜对骨松质微观结构进行纵深扫描，获取骨组织的骨松质的三维空间轮廓和孔隙尺寸，重构出骨松质空间几何结构；基于所述骨松质空间几何结构，依次采用布尔运算、光刻、气相沉积、电沉积和溶解，得到所述电刺激区域；所述布尔运算将所述骨松质空间几何结构中的实体和空隙进行反向置换，得到新三维结构；所述光刻的步骤包括：将所述新三维结构进行轴向分层切割后，得到若干层切片和每层切片的层厚；沿着所述新三维结构的轴向自下而上，对每一层通过曝光固化，层层累加，得到实体模型；所述曝光固化是指，根据每一层的层厚，均匀涂覆紫外光固化胶后，采用紫外激光束沿着切片的轮廓逐步扫描涂覆的紫外光固化胶。

2.如权利要求1所述的一种类骨松质空间微结构神经电极，其特征在于：所述绝缘区域的中轴线上设置有电极金属电芯，所述电极金属电芯的一端连接电刺激区域，电极金属电芯的另一端通过导线连接至信号控制器。

3.如权利要求1所述的一种类骨松质空间微结构神经电极，其特征在于：所述绝缘区域采用具有生物相容性的材料。

4.如权利要求1所述的一种类骨松质空间微结构神经电极，其特征在于：所述电刺激区域的材料为惰性金属或者合金。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种类骨松质空间微结构神经电极的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

获取骨组织的骨松质的三维空间轮廓和孔隙尺寸，重构出骨松质空间几何结构；

基于所述骨松质空间几何结构，依次通过布尔运算、光刻、气相沉积、电沉积和溶解，得到所述电刺激区域；

所述布尔运算将所述骨松质空间几何结构中的实体和空隙进行反向置换，得到新三维结构；所述光刻的步骤包括：将所述新三维结构进行轴向分层切割后，得到若干层切片和每层切片的层厚；沿着所述新三维结构的轴向自下而上，对每一层通过曝光固化，层层累加，得到实体模型；所述曝光固化是指，根据每一层的层厚，均匀涂覆紫外光固化胶后，采用紫外激光束沿着切片的轮廓逐步扫描涂覆的紫外光固化胶。

6.如权利要求5所述的一种类骨松质空间微结构神经电极的制备方法，其特征在于：所述气相沉积将所述实体模型的表面和孔隙内表面沉积一层金属导电层。

7.如权利要求5所述的一种类骨松质空间微结构神经电极的制备方法，其特征在于：所述电沉积的步骤包括：

所述实体模型的经过所述气相沉积后，悬置于电解池，并与电源阴极连接；

将金属与电源阳极相连，置于电解池，在电解池中注入金属盐溶液；

接通电源，金属盐溶液中的金属阳离子在实体模型表面和孔隙内发生还原反应，同时阳极金属被氧化，不断补充金属盐溶液中的金属阳离子，使所述实体模型的表面和孔隙内持续沉积金属，直到所有空隙被填满。