一种生物神经调控电极及制备和应用方法

医药医疗技术的改进;医疗器械制造及应用技术1.本发明涉及生物神经调控技术领域，特别地涉及一种生物神经调控电极及制备和应用方法。背景技术：2.生物神经调控是通过物理方法刺激或抑制神经细胞及神经系统活动以调控、改善生物的生命功能。比较重要侵入式神经调控技术是脑深部电刺激(deep brain stimulation,dbs)、皮层脑电ecog阵列刺激。dbs和ecog在医疗方面的应用已经有显著的疗效。并在脑机通信、脑机接口方面得到应用。脑深部电刺激dbs，刺激脑区，从而激活大脑深部的的神经元调整大脑神经的活动状态。3.通常侵入式生物组织神经刺激电极有铂、铂与其它金属的合金等。金属电极多采用外科手术方式打开头颅进行植入。纯金属电极硬度高、植入坚硬的刚性电极后，大脑脑组织刚性电极与软脑组织长期作用，产生疤痕，影响电极的使用效果。4.犹他电极(utah electrode array,uea)和密西根(michigan)电极是比较典型的阵列电极。犹他电极阵列结构具有高时空分辨率可以刺激或记录单个神经元的放电活动信息。密西根电极在每个电极柱上多个电极点，三维结构具有更高的集成度和电极触点密度可以探测、刺激不同深度神经元活动实现立体记录。密歇根电极和犹他电极同样是微细针式电极，比较脆，易折断。5.电子信息技术发展推动了高分子聚合物柔性薄膜及其柔性电路的技术进步。实现了基于高分子聚合物聚酰亚胺(polyimide，pi)、聚对二甲苯-c(parylene c)为基底的柔性电极探针。植入后生物组织可以随神经细胞及组织液微移动，减少生物组织损害，有利较长时间的保证有效的刺激神经细胞。柔性薄膜材料电极主要基于电路板相关技术，需要多层薄膜电极制备工艺，需要多道光刻工艺、制作复杂。技术实现要素：6.针对上述现有技术中的问题，本技术提出了一种生物神经调控电极，具有能多电极触点刺激、电极电导率可以根据实用目的进行调节、减少神经组织局部疤痕的产生、具有较好的绝缘性和解决生物排异性、韧性较好的优点。7.本发明的一种生物神经调控电极，包括电极，所述电极的引线端与引线电阻固定连接，所述电极包括金属丝和生物兼容层，所述金属丝设置在所述电极的内腔，所述金属丝的外表面包裹生物兼容层。8.在一个实施方式中，所述电极为铂及其合金等与聚酰亚胺纤维结合。通过本实施方式，使电极具有韧性和电导率的同时具有生物排异性。9.在一个实施方式中，所述生物兼容层为聚酰亚胺材质。通过本实施方式，便于电极具有绝缘性。10.在一个实施方式中，所述电极靠近电极头部的一侧设置有电极孔。通过本实施方式，便于电极记录不同深度神经元活动。11.在一个实施方式中，所述电极包括针状电极和带状电极，所述带状电极靠近电极头部的一端设置辅助孔。通过本实施方式，便于辅助装置植入。12.在一个实施方式中，所述金属丝的间距为20微米-200微米。通过本实施方式，便于提高电极的电导率。13.在一个实施方式中，所述生物兼容层的涂敷厚度为10微米～500微米。通过本实施方式，防止生物兼容层漏电。14.本技术还涉及一种生物神经调控电极应用方法，通过电极放置系统用于将电极精确地插入和嵌入神经组织；电极放置系统用于在单独或组合植入物中插入一个或多个电极，形成所需的神经靶标。15.本技术还涉及一种生物神经调控电极制备方法，包括以下步骤：16.步骤s1、在洁净环境中，使用中性液超声清洗电极丝，热风烘干；17.步骤s2、使用间距固定夹对热风烘干后的电极丝进行固定；18.步骤s3、将电极丝浸入聚酰亚胺挤压拉丝装置中；19.步骤s4、将电极丝的引线端固定在卷绕机构上；20.步骤s5、加热聚酰亚胺液至350℃～450℃；21.步骤s6、通过挤塑抽拉形成聚酰亚胺包裹的电极；22.步骤s7、通过电极切割，形成电极引线端和电极头部端，引出电极刺激点。23.在一个实施方式中，所述步骤s7还包括用激光打孔的方式形成垂直纵向立体触点。24.在一个实施方式中，所述步骤s7还包括在扁平的头部用激光打孔，作为辅助植入固定。25.上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。26.本发明提供的一种生物神经调控电极，与现有技术相比，至少具备有以下有益效果：27.1、具有较好的绝缘性和解决生物排异性；28.2、减少神经组织局部疤痕的产生；29.3、具有能多电极触点刺激；30.4、电极电导率可以根据实用目的进行调节。附图说明31.在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：32.图1显示了本发明中一种生物神经调控电极的整体结构示意图；33.图2显示了本发明中一种生物神经调控电极的整体结构示意图；34.图3显示了本发明中一种生物神经调控电极的整体结构示意图；35.图4显示了本发明中一种生物神经调控电极的整体结构示意图；36.图5显示了本发明中一种生物神经调控电极的制备工艺流程示意图；37.在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。38.附图标记：39.1-清洗烘干装置；2-间距固定夹；3-加热装置；4-聚酰亚胺池；5-直径测量装置；10-电极；11-金属丝；12-生物兼容层；20-电极孔；21-辅助孔。具体实施方式40.下面将结合附图对本发明作进一步说明。41.本发明提供了一种生物神经调控电极，如图1所示，包括电极10，其特征在于，所述电极10的引线端与引线电阻固定连接，所述电极10包括金属丝11和生物兼容层12，所述金属丝11设置在所述电极10的内腔，所述金属丝11的外表面包裹生物兼容层12。42.在一个实施例中，所述电极10为铂及其合金等与聚酰亚胺纤维结合，具体地铂是银白色有光泽的金属，熔点1772℃，沸点3827℃，密度21.45g/cm3(20℃)，较软，有良好的延展性、导热性和导电性，良好延展性，可拉成很细的铂丝，轧成极薄的铂箔，良好的延展性使电极10具有一定强度的同时可以控制电极10的直径，可以使电极10的直径控制在5微米-15微米，直径小的特点是减少因大脑脑组织刚性电极10与软脑组织长期作用产生疤痕而影响电极10使用效果，导电性可以使电极10的在引线电阻通电的情况下探测并刺激不同深度神经元活动而实现记录的情况，聚酰亚胺纤维可以使电极10具有较好的绝缘性和解决生物排异性的作用，也可以减少生物组织损害，有利较长时间的保证有效的刺激神经细胞。43.在一个实施例中，所述生物兼容层12为聚酰亚胺材质，具体地聚酰亚胺(polyimide，简写为pi)指主链上含有酰亚胺环(-co-n-co-)的一类聚合物，是综合性能最佳的有机高分子材料之一。其耐高温达400℃以上，长期使用温度范围-200～300℃，部分无明显熔点，高绝缘性能，103赫兹下介电常数4.0，介电损耗仅0.004～0.007，可以减少电极10电导率的损耗，聚酰亚胺属f至h级绝缘，防止电极10电流的流失，提高电极10的使用效率。44.在一个实施例中，所述电极10靠近电极10头部的一侧设置有电极孔20，具体地可以通过电极孔20探测、刺激不同深度神经元活动实现立体记录。45.在一个实施例中，所述电极10包括针状电极和带状电极，所述带状电极靠近电极10头部的一端设置辅助孔21，具体地辅助孔21可以辅助植入装置协助植入，使电极10具有更好的适配性。46.在一个实施例中，所述金属丝11的间距为20微米-200微米，具体地可以通过金属丝11的直径大小限定电极10的电导率，当使用多电极10触点时，金属丝11的间距为20微米，采用直径较小的电极10，防止电极10间电导不稳定，金属丝11的间距为200微米时，采用直径较大的电极10，可以提高电极10的电导率，电导率的大小也可通过引线电阻调节，当使用小电导时，采用较细的金属丝11，引线电阻调小，当使用大电导时，采用直径较大的金属丝11，引线电阻调大，同时直径较大的金属丝11能承载更高的电导率。47.在一个实施例中，所述生物兼容层12的涂敷厚度为10微米～500微米，具体地当金属丝11的直径为200微米时，生物兼容层12的涂敷厚度为500微米，防止金属丝11的电导发生泄露，当金属丝11的直径为20微米时，生物兼容层12的涂敷厚度为10微米，可以减少使用成本。48.在一个实施例中，用超细金属铂及其合金等与pi纤维结合形成半柔性生物电极10，并可以实现多电极10触点刺激，引线电阻可以根据实用目的进行调节，通过选择性金属铂及其合金的直径等调节电极10电导率，其可以形成针状电极也可以形成扁平状(带状)电极，在做深度植入电极10时(dbs)(带状)，可以将顶端部形成孔洞(可以用辅助植入装置协助植入)。49.在一个实施例中，脑深部电刺激dbs，刺激脑区，从而激活大脑深部的神经元调整大脑神经的活动状态。50.在一个实施例中，制作ecog阵列时，此电极10可以做成针状。51.在一个实施例中，如图2所示，电极10也可采用扁平状电极，金属丝11呈线性排列，金属丝11的外部包裹生物兼容层12。52.在一个实施例中，如图3所示，电极10采用扁平状电极时，金属丝11呈线性排列，金属丝11的外部包裹生物兼容层12，金属丝11的头部端设置有电极孔20，电极孔20穿过金属丝11和生物兼容层12。53.在一个实施例中，如图4所示，电极10采用扁平状电极时，金属丝11呈线性排列，金属丝11的外部包裹生物兼容层12，金属丝11的头部端设置有电极孔20，电极10的头部端设置有辅助孔21，辅助孔21穿过金属丝11和生物兼容层12。54.在一个实施例中，如图5所示，纯金属铂丝在清洗烘干装置1的洁净环境中，中性液超声清洗，纯净水清洗，热风烘干。金属丝在间距固定夹2中固定(含多根金属丝电极)。金属丝浸入pi挤压拉丝装置中。并引金属丝到引出端的旋转卷绕机构上、金属丝经过加热装置3的预热后浸入聚酰亚胺池4的pi液中加热至350℃～450℃。在直径测量装置5的检测下挤塑抽拉形成pi包裹的电极。按实际要求切割，形成头部和尾部引出电极刺激点(平面电极)，或用激光打孔方式形成垂直纵向立体触点。55.在一个实施例中，通过电极放置系统用于将电极10精确地插入和嵌入神经组织。电极放置系统可用于在单独或组合植入物中插入一个或多个电极，形成所需的神经靶标。本技术的“植入物”可以指插入并锚定在神经组织中的穿透电极阵列使电极位置更靠近下面的神经元，同时限制植入物相对于神经组织的迁移，如非穿透性神经外植入物。因此，穿透电极阵列允许刺激的特异性，因为单独的电极表面可以靶向独立的束和/或神经回路。如果可以选择性地靶向单个束内的神经纤维或电路或中枢的特定神经元的适当群体，则可以避免相反功能的激活。靶向插入和电极植入的神经组织可以是任何神经靶标，包括但不限于脑组织(包括皮层和/或深部脑结构)，脊髓和外周神经。电极放置系统利用超声频率范围内的振荡振动来减小插入和植入电极阵列所需的力，并减小正被穿透的软组织的凹坑。电极放置系统能够提高插入成功率，同时减少对接受者组织的拉伤和创伤。56.在一个实施例中，电极放置系统包括振动促动器、插入组件控制单元、平移电机、靶稳定组件。电极放置系统可以是桌面单元或手持单元。电极放置系统可用于插入任何神经植入物包括但不限于多通道、单柄装置，如模块化仿生n型探针；电极阵列具有多个穿透件；植入物可以是固定在头骨、骨头或其它围绕目标神经组织的刚性材料上的固定阵列，柔性缆线端部上的系留阵列被锚定在其它地方，或完全漂浮的阵列。它被嵌入目标神经组织中，但不固定在任何其它材料上，并且可以在组织内“漂浮”。植入物穿透构件可以由任何生物相容性材料制成，例如但不限于钨、硅和聚合物。它们可以具有任何尖角或形状，例如钝的，圆的或成角度的。植入物可以由将光传输到神经组织中或从神经组织传输光的材料组成，例如包含光纤的穿透部件，或者由将流体传输到神经组织中或从神经组织传输流体的材料组成，例如包含流体通道或透析膜的穿透部件。电极随时间失效的主要原因是靶组织和神经植入物之间的刚度不匹配。例如，刚性穿透构件机械运动过程中会损伤周围较软的组织，这又会引起损伤的组织反应。因此，柔性和/或超细植入物(例如碳纤维)是理想的植入物。57.在一个实施例中，电极放置系统包括振动促动器，振动促动器配置成产生振动或振荡以减小穿透电极穿透构件的插入力，电极穿透件的材料可以是微丝、硅材料、碳纤维，聚酰亚胺或聚对二甲苯基材组成。振动促动器可以是能够产生5-20m超声波范围内的振动的超声波促动器。它可以在20-30khz范围内的谐振频率下操作，并且在至少一个实施例中可以优选地在25khz的谐振频率下操作。振动位移输出可通过增加和减少提供给振动促动器的驱动功率来控制。58.在一个实施例中，振动促动器能够产生振动，优选轴向振动的电机。例如，振动促动器可以是具有25khz谐振频率的压电叠层促动器。在其它实施例中，振动促动器可以是音圈马达，其能够产生较低频率的振动，例如在约100-200hz的范围内，以及较高位移，例如高达几百微米。59.虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。









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