用于生物植入的柔性高密度多功能神经探针及制备方法
阅读说明：本技术 用于生物植入的柔性高密度多功能神经探针及制备方法 (Flexible high-density multifunctional nerve probe for biological implantation and preparation method thereof ) 是由 刘景全 奚野 郭哲俊 王隆春 于 2021-08-04 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种用于生物植入的柔性高密度多功能神经探针及制备方法,方法包括：溅射释放层；图形化并固化导电聚合物材料；旋涂固化绝缘聚合物材料；腐蚀释放层后清洗烘干复合聚合物薄膜；将聚合物薄膜缠绕贴附在聚合物轴芯圆柱面制备聚合物预制胚；采用热拉法将预制胚拉制成细丝；截取所需聚合物复合细丝,对聚合物复合细丝一端打磨抛光端面。本发明基于热拉法制备出的柔性神经探针能够实现电极记录点、液体通道以及光通路的多功能和多通道集成,根据具体应用可以自由灵活集成不同种类、数量和几何参数的功能通道,同时通过不同角度打磨抛光可以实现对于同一平面或不同深度的刺激或信号采集,制备过程简单便捷,成本较低,组合更为灵活。(The invention provides a flexible high-density multifunctional nerve probe for biological implantation and a preparation method thereof, wherein the method comprises the following steps: sputtering a release layer; patterning and curing the conductive polymer material; spin-coating and curing the insulating polymer material; after corroding the release layer, cleaning and drying the composite polymer film; winding and attaching a polymer film on the cylindrical surface of a polymer shaft core to prepare a polymer prefabricated blank; drawing the prefabricated blank into filaments by adopting a hot drawing method; and cutting the required polymer composite filament, and grinding and polishing one end face of the polymer composite filament. The flexible nerve probe prepared based on the hot drawing method can realize the multifunctional and multi-channel integration of electrode recording points, liquid channels and optical channels, can freely and flexibly integrate different types, quantities and geometric parameters of the functional channels according to specific application, can realize stimulation or signal acquisition on the same plane or different depths by grinding and polishing at different angles, and has the advantages of simple and convenient preparation process, lower cost and more flexible combination.)
技术领域
本发明涉及生物医学工程技术领域，具体地，涉及一种用于生物植入的柔性高密度多功能神经探针及制备方法。
背景技术
作为识别和操纵神经行为的主要器件，植入式神经探针在脑科学研究中扮演着重要的角色，并且具有巨大的科学和技术潜力。神经探针为复杂的神经系统和外部世界构架起桥梁，其发明和发展极大地促进了神经再生、脑部疾病诊断、基因编辑、肿瘤免疫学和细胞操作技术等诸多领域的进步。
目前常用的神经探针主要采用硅基、金属或者玻璃等材料，这些材料其杨氏模量通常在50～500Gpa之间，与生物体软组织的杨氏模量相差2个数量级以上。受到生物体正常生理活动例如生物体呼吸、血管膨胀收缩等影响，植入器件会与植入区域生物组织不断发生摩擦和剪切作用，因此造成和加速植入区域的炎症反应以及胶质包覆带来的电极记录能力降低。除此之外，受到材料加工方法和能力的限制，传统神经探针通常只具备电生理信号采集、光刺激(信号采集)以及药物供给等功能中单一的一种功能。采用有别于传统神经探针基底材料的聚合物材料制备神经探针，能够有效降低器件整体杨氏模量，提高神经探针的生物相容性。
经过针对现有技术的检索发现：
华南理工大学Shifeng Zhou等人在Advanced Science，2020,7上撰文“FlexibleFiber Probe for Efficient Neural Stimulation and Detection”，其采用聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、聚偏氟乙烯(Poly(vinylidene fluoride),PVDF)和聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl methacrylate，PMMA)等聚合物材料，通过热拔工艺实现具有高度生物相容性的多峰光纤神经探针，能够实现高分辨率、高灵敏度的长期刺激和记录功能。
麻省理工大学的Polina Anikeeva等人在Nature Biotechnology，2015,33上撰文“Multifunctional fibers for simultaneous optical,electrical and chemicalinterrogation of neural circuits in vivo”，其采用聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、环烯烃共聚物(Copolymers of cycloolefin，COC)、导电聚乙烯(conductive polyethylene(CPE))等聚合物材料，对多种聚合物材料棒和薄膜进行组织预制胚后通过热拔工艺制备出能够实现电生理信号采集、光刺激和药物供给这三种功能集成的柔性神经探针，并成功应用于小鼠长期在体实验。
综上所述，基于聚合物材料制备出的神经探针能够实现电生理信号采集、光刺激和药物供给等多种功能集成，且由于基于聚合物材料的神经探针具备与生物组织更接近的杨氏模量，其生物相容性显著提升，更易于进行体内长期埋置实验。但是现有聚合物材料的神经探针其功能通路密度低，通常只有数个到数十个采集/记录功能通道，因此亟需提出一种柔性高密度多功能神经探针的制备方法。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于生物植入的柔性高密度多功能神经探针及制备方法。
本发明第一个方面提供一种用于生物植入的柔性高密度多功能神经探针的制备方法，包括，按照以下步骤执行：
S1，在基片上沉积一层释放层，用于释放上层结构；
S2，在所述释放层上旋涂一层光敏型热塑性导电聚合物材料A前驱液，得到聚合物A薄膜，并对所述聚合物A薄膜图形化，得到图形化的聚合物A薄膜；
S3，待所述图形化的聚合物A薄膜完全固化后，在所述图形化的聚合物A薄膜上旋涂一层光敏型热塑性绝缘聚合物材料B前驱液，进行固化，得到聚合物B薄膜；
S4，去除所述基片与所述聚合物A薄膜、所述聚合物B薄膜之间的释放层，释放得到由所述图形化的聚合物A薄膜与所述聚合物B薄膜形成复合聚合物薄膜，之后对所述复合聚合物薄膜进行清洗，烘干；
S5，将S4烘干后的所述复合聚合物薄膜缠绕于预制聚合物材料轴芯上，并沿所述预制聚合物材料轴芯的周向缠绕多层，得到柱状的聚合物预制胚，在所述预制聚合物材料轴芯的外层集成数十到数万个记录电极；所述预制聚合物材料轴芯沿轴向设置的光通路和/或给药通路；
S6，采用热拉法在预设参数下将所述聚合物预制胚拉制成聚合物细丝；
S7，截取设定长度的所述聚合物细丝，并对截取的所述聚合物细丝的一端进行打磨抛光，优化各功能通路的表面形貌，使所述聚合物细丝的端部形成水平端面或斜面，以实现同一平面或不同深度神经组织的刺激、给药和/或信号采集，之后清洗，烘干，得到用于生物植入的柔性高密度多功能神经探针。
优选地，所述S1，所述释放层的材料选用铝或铬；
优选地，所述释放层的厚度为200nm-1000nm。
优选地，所述S2，光敏型热塑性导电聚合物材料A前驱液可选用但不限于以下：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚氯乙酸的任一种聚合物材料；
所述S3，所述光敏型热塑性绝缘聚合物材料B前驱液可选用但不限于以下：聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚氯乙酸的任一种聚合物材料。
可选地，S2和S3中光敏型热塑性聚合物材料前驱液中包括不同热塑性聚合物材料对应单官能团单体、光引发剂、光吸收剂和分子量调节剂。
优选地，所述S2，在所述释放层上旋涂一层光敏型热塑性导电聚合物材料A前驱液，得到聚合物A薄膜，并对所述聚合物A薄膜图形化，得到图形化的聚合物A薄膜，其中，利用均胶机将所述光敏型热塑性导电聚合物材料A前驱液平铺至表面抛光的基片上，所述甩胶机的转速在每分钟500转-3000转范围；利用MEMS工艺将旋涂得到的整块的聚合物A薄膜加工形成若干小块具有固形状的薄膜，即得到图形化的聚合物A薄膜。
优选地，所述S3，待所述图形化的聚合物A薄膜完全固化后，在所述图形化的聚合物A薄膜上旋涂一层光敏型热塑性绝缘聚合物材料B前驱液，其中，利用均胶机将所述光敏型热塑性绝缘聚合物材料B平铺至所述聚合物A薄膜上，所述甩胶机的转速在每分钟500转-3000转范围。
优选地，所述S4，去除所述基片与所述聚合物A层之间的释放层，其中，将经S3的所述基片浸泡于腐蚀液中以去除所述释放层，且所述腐蚀液适用于S1选用的释放层的金属材料，以腐蚀金属材料。
优选地，所述S5，预制聚合物材料轴芯的结构采用实心圆柱结构、内部嵌有可用于光波导的实心圆柱结构或内部嵌有中空液体通路的圆柱结构的任一种。
优选地，所述S6，采用热拉法在预设参数下将所述聚合物预制胚拉制成聚合物细丝，其中，预设参数的加热温度设定在150℃-250℃。
优选地，所述S7，截取设定长度所述聚合物细丝，并对截取的所述聚合物细丝的一端进行打磨抛光，其中，打磨抛光角度设定为0°-85°。
本发明第二个方面提供一种用于生物植入的柔性高密度多功能神经探针，采用所述的用于生物植入的柔性高密度多功能神经探针的制备方法得到。
与现有技术相比，本发明具有如下至少一种的有益效果：
本发明上述方法，通过复合聚合物薄膜缠绕于聚合物材料轴芯上，结合光刻工艺，基于热拉法制备得到高密度多功能柔性电极，能够实现电极记录点、液体通道以及光通路的多功能和多通道集成，根据具体应用可以自由灵活集成不同种类、数量和几何参数的功能通道，同时通过不同角度打磨抛光可以实现对于同一平面或不同深度的刺激或信号采集。制备过程简单便捷，成本较低，组合更为灵活。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明一优选实施例的用于生物植入的柔性高密度多功能神经探针的制备流程示意图；
图2是本发明一优选实施例的选用的不同图形化方案的复合聚合物薄膜结构示意图；
图3a是本发明一优选实施例的复合聚合物薄膜的结构示意图；
图3b是本发明一优选实施例的复合聚合物薄膜缠绕贴附在聚合物材料轴芯圆柱面上的过程示意图；
图4a是实施例1制备得到的用于生物植入的柔性高密度多功能神经探针的结构示意图；
图4b是图4a的前视图；
图5a是本发明一优选实施例的用于制备柔性高密度神经探针的聚合物轴芯结构示意图；
图5b是本发明一优选实施例的用于制备柔性高密度光/电集成神经探针的聚合物轴芯结构示意图；
图5c是本发明一优选实施例的用于制备柔性高密度光/电/给药集成神经探针的聚合物轴芯结构示意图；
图6a是本发明一优选实施例的用于制备柔性高密度光/电集成神经探针的聚合物预制胚结构示意图；
图6b是本发明一优选实施例的用于制备柔性高密度光/电/给药集成神经探针的聚合物预制胚结构示意图；
图7是本发明一优选实施例的将聚合物预制胚通过热拉法制备成聚合物细丝的过程示意图；
图8是本发明一优选实施例的将聚合物细丝截取一部分用于制备柔性高密度多功能集成神经探针的过程示意图；
图9a是实施例1的聚合物细丝的端部形成水平端面的示意图；
图9b是实施例2的聚合物细丝的端部形成斜面的示意图；
图9c是实施例3的聚合物细丝的端部形成斜面的示意图；
图10a、图10b是本发明中不同角度打磨抛光后的柔性高密度多功能神经探针抛光面示意图；
图中标记分别表示为：1为复合聚合物薄膜、2为聚合物材料轴芯、11为功能通路、21为光通路、22为给药通路。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供一种用于生物植入的柔性高密度多功能神经探针的制备方法，参照图1所示，按照以下步骤执行：
S1，在基片上溅射一层铝作为释放层，用于之后聚合物薄膜层的释放，基片可以采用表面抛光的硅片或者玻璃片，参照图1中(b)所示；该释放层的材料除了选用铝外，还可以选用铬；溅射释放层的厚度可选择但不限于200nm-1000nm。
S2，在释放层上旋涂一层导电聚乙烯前驱液，得到聚合物A薄膜，并对其图形化，得到图形化的聚合物A薄膜,图形化的聚合物A薄膜可以根据实际需求设计不同几何形状和参数。参照图1中(c)所示；光敏型热塑性导电聚合物材料A前驱液除选用聚乙烯以外，还可以选用聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙酸等聚合物材料。
S3，待导电聚乙烯前驱液完全固化后，在其上旋涂一层聚碳酸酯前驱液，进行固化，得到聚合物B薄膜，参照图1中(d)所示；光敏型热塑性绝缘聚合物材料B前驱液还可以采用聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙酸等聚合物材料。
S4，浸泡于腐蚀液中去除基片与聚合物A薄膜、聚合物B薄膜之间的释放层，释放得到由聚合物A薄膜和聚合物B薄膜形成的复合聚合物薄膜1，对复合聚合物薄膜1依次使用去离子水、丙酮、无水乙醇和去离子水清洗，烘干。腐蚀液适用于S1中选用的释放层的金属材料，上述S1的释放层的金属材料选用铝，腐蚀液采用稀盐酸用于腐蚀金属铝释放层。例如，当S1的释放层的金属材料选用铬，则腐蚀液采用铬刻蚀液。
S5，参照图5a所示，预制为实心圆柱结构的聚合物材料轴芯2。参照图3a、图3b所示，将S4清洗烘干后的复合聚合物薄膜1缠绕贴附在预制的聚合物材料轴芯2的圆柱面上，并沿预制聚合物材料轴芯2的周向根据需要缠绕多层，用于实现数十到数万功能通路11(记录电极)集成，得到柱状的聚合物预制胚。预制聚合物材料轴芯设有沿轴向分布的光波导和/或所述预制聚合物材料轴芯设有沿轴向分布的光波导和/或给药通道22。
功能通路11的作用是用于后期拉制时制备不同的功能通道，比如电刺激/采集或者给药功能等。给药通道是设置于聚合物材料轴芯上。
S6，采用热拉法在预设参数下将聚合物预制胚拉制成细丝，参照图7所示；热拉法在预设参数主要包括对加热温度和拉制速度的参数设置，其中，加热温度与复合聚合物材料有关，通常但不限于设定在150℃-250℃。
S7，参照图8所示，截取一定长度聚合物细丝，并对一端进行打磨抛光，如图9中(a)所示打磨抛光的角度为0°，使聚合物细丝的端部形成水平端面，并依次使用去离子水、丙酮、无水乙醇和去离子水清洗，烘干，参照图4a、图4b所示，得到用于生物植入的柔性高密度多功能神经探针，该探针可用于同一脑区平面信号采集和刺激。
上述S2和S3中的复合聚合物薄膜1可选用但不限于选用上述光敏型热塑性导电聚合物材料A前驱液、光敏型热塑性绝缘聚合物材料B前驱液两种前驱液，制备出所需图形化的复合聚合物薄膜1。参照图2所示，复合聚合物薄膜可选用不同图形化方案组合。
实施例2
本实施例提供一种用于生物植入的柔性高密度多功能神经探针的制备方法，包括，按照以下步骤执行：
S1，在基片上溅射一层铝释放层，用于之后聚合物薄膜层的释放，参照图1中(b)所示。
S2，在释放层上旋涂一层混合有石墨导电聚乙烯前驱液，得到聚合物A薄膜，并对其图形化，得到图形化的聚合物A薄膜,参照图1中(c)所示。
S3，待混合有石墨导电聚乙烯前驱液完全固化后，在其上旋涂一层环烯烃共聚物前驱液，进行固化，得到聚合物B薄膜，参照图1中(d)所示。
S4，浸泡于腐蚀液中去除基片与聚合物A薄膜、聚合物B薄膜之间的释放层，释放得到由聚合物A薄膜和聚合物B薄膜形成的复合聚合物薄膜，对释放下的复合聚合物薄膜依次使用去离子水、丙酮、无水乙醇和去离子水清洗，烘干。
S5，参照图5b所示，为预制的集成有光通路21的聚合物材料轴芯2的结构示意图；将S4清洗烘干后的复合聚合物薄膜缠绕贴附在集成有光通路21的聚合物材料轴芯2圆柱面上制备得到聚合物预制胚，参照图6a所示。
S6，采用热拉法在预设参数下将聚合物预制胚拉制成细丝，参照图7所示。
S7，参照图8所示，截取设定长度聚合物细丝，参照图9b所示，以一定角度对聚合物细丝一端进行打磨抛光，使聚合物细丝的端面呈斜面，并依次使用去离子水、丙酮、无水乙醇和去离子水清洗，烘干，得到用于生物植入的柔性高密度多功能神经探针，该探针可用于不同脑区深度神经组织的刺激和信号采集。
实施例3
本实施例提供一种用于生物植入的柔性高密度多功能神经探针的制备方法，包括，按照以下步骤执行：
S1，在基片上溅射一层铝释放层，用于之后聚合物薄膜层的释放，参照图1中(b)所示。
S2，在释放层上旋涂一层混合有石墨导电聚乙烯前驱液，得到聚合物A薄膜，并对其图形化，得到图形化的聚合物A薄膜，参照图1中(c)所示。
S3，待混合石墨导电聚乙烯完全固化后，在其上旋涂一层环烯烃共聚物前驱液，进行固化，得到聚合物B薄膜，参照图1中(d)所示。
S4，浸泡于腐蚀液中去除基片与聚合物A薄膜、聚合物B薄膜之间的释放层，释放得到由聚合物A薄膜和聚合物B薄膜形成的复合聚合物薄膜，对释放下的复合聚合物薄膜依次使用去离子水、丙酮、无水乙醇和去离子水清洗，烘干。
S5，参照图5c所示，预制的聚合物材料轴芯2内部沿轴向设有由光波导聚合物形成光通路，及中空通道形成的用于液体流通的给药通路，且光通路与给药通路平行。将S4清洗烘干后的复合聚合物薄膜缠绕贴附在预制好的聚合物材料轴芯2圆柱面上制备得到聚合物预制胚，参照图6b所示。
S6，采用热拉法在预设参数下将聚合物预制胚拉制成细丝，参照图7所示。
S7，参照图8所示，截取设定长度聚合物细丝，并对一端进行打磨抛光，使聚合物细丝的端面呈斜面，之后依次使用去离子水、丙酮、无水乙醇和去离子水清洗，烘干。
上述S7中，可以采用不同角度进行打磨抛光，用于各功能通路11表面形貌的优化，其打磨抛光角度通常可设定但不限0°-85°，用于实现同一平面或不同深度神经组织的刺激、给药和信号采集；参照图10a、图10b所示，打磨抛光角度大于0°时，柔性高密度多功能神经探针抛光面示意图。
上述实施例，基于热拉法制备出的柔性神经探针能够实现电极记录点、液体通道以及光通路的多功能和多通道集成，根据具体应用可以自由灵活集成不同种类、数量和几何参数的功能通道，同时通过不同角度打磨抛光可以实现对于同一平面或不同深度的刺激或信号采集。该种方法制备过程简单便捷，成本较低，组合更为灵活。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质。