阅读说明：本技术 模拟失重大鼠的植入式微纳电极阵列芯片及其制备方法 (Implantable micro-nano electrode array chip for simulating weightless rat and preparation method thereof ) 是由 王昊 蔡新霞 刘军涛 陆泽营 谢精玉 宋轶琳 徐声伟 肖桂花 于 2019-09-24 设计创作，主要内容包括：一种植入式微纳电极阵列芯片及其制备方法,该芯片包括硅针基底、微电极阵列、对电极、电化学参比电极和电生理参比电极；其中,硅针基底分布于所述芯片前端的植入部分与后端的接口部分；在每根硅针尖端上表面分布多个微电极,所述多个微电极构成微电极阵列；在单根硅针或者多根不同硅针上面靠近所述微电极阵列的位置处设置有对电极、电化学参比电极和电生理参比电极。本发明微电机阵列硅针长度依次递减,4根硅针上面分布4组微电极阵列,用于同时检测大脑皮层、海马区与丘脑区的电生理信号,避免多次植入损伤,能长时间连续检测。(An implanted micro-nano electrode array chip and a preparation method thereof, wherein the chip comprises a silicon needle substrate, a microelectrode array, a counter electrode, an electrochemical reference electrode and an electrophysiological reference electrode; the silicon needle substrate is distributed on an implantation part at the front end of the chip and an interface part at the rear end of the chip; a plurality of microelectrodes are distributed on the upper surface of the tip end of each silicon needle, and the microelectrodes form a microelectrode array; and a counter electrode, an electrochemical reference electrode and an electrophysiological reference electrode are arranged on the position, close to the microelectrode array, of the single silicon needle or the positions, close to the microelectrode array, of the different silicon needles. The length of the silicon needles of the micromotor array is gradually reduced, 4 groups of microelectrode arrays are distributed on 4 silicon needles, and the micromotor array is used for simultaneously detecting electrophysiological signals of cerebral cortex, hippocampus and thalamus, so that multiple implantation injuries are avoided, and long-time continuous detection can be realized.)

模拟失重大鼠的植入式微纳电极阵列芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物传感器的微机电系统(MEMS)微加工的技术领域，是一种模拟失重大鼠的植入式微纳电极阵列芯片及其制备方法。

背景技术

长期航天飞行任务中航天员会处在连续的失重环境，机体长时间处于应激状态，会诱发认知功能降低等神经精神系统问题。中国航天员在太空舱内工作时，出现了严重的失眠问题。因此，为确保航天员在轨健康与高效工作，需进一步阐释航天特殊环境因素对神经功能尤其是睡眠问题的影响机制。采用30°尾悬吊大鼠来模拟失重环境效应，研究21到28天尾悬吊模拟失重环境对于大鼠睡眠的影响，以期部分阐释微重力导致睡眠障碍的作用机制，为航天医学防护提供理论指导。

基于微机电系统(MEMS)技术制备的微电极阵列为神经信息的检测和记录提供了一种有效的高信噪比、多通道的检测器件，是研究神经科学、神经网络发育、神经信息编码、传导、响应和存储的机制研究、神经性疾病的治疗研究以及高通量药物筛选和安全药理学研究领域中的重要工具。将电极植入正常大鼠和失重模型大鼠中，配套活体微创电生理检测与刺激专用分析处理工具和软件，探究失重环境影响睡眠的作用机理。此发明将为航天员在轨工作时失眠问题研究提供检测的新手段新工具，并对其预防、诊断和治疗具有非常重要的科学意义和应用价值。

在神经科学研究与临床实验中，动物在体神经电生理信号的记录发挥着不可或缺的作用。相对于离体检测来说，在体记录更能反映神经系统对机体的直接作用。

二十世纪五十年代，David H.Hubel便开始使用绝缘的金属钨丝进行单神经元记录，这种钨丝电极带有绝缘层，尖端直径仅为几微米。绝缘钨丝一直都是有效的微丝电极制备材料，近期金、铂等生物相容性好的金属也被应用于电极上，微丝电极可为单通道或多通道。随着MEMS技术的发展，基于硅材料的二维、三维结构微电极探针阵列被开发出来。其中主要有两大类，一类是美国犹他大学研制的针形微电极阵列，这类电极以整块单晶硅为材料呈现方形电极针阵列，尖端镀有金属层，采用聚酰亚胺涂层绝缘，其电极受形貌和尺寸的限制，多用于对大脑皮层区或者较浅表面部位的神经电生理信息检测，对于脑深部测量有局限。

另外一类应用广泛的，为线性微电极阵列(Linear silicon electrode array，LSEA)，其研制的微电极阵列呈现平面硅针结构，通过在硅片上刻蚀形成所需的平面针形，强度不如Utah电极，但对脑部损伤小，可分析较深部位的神经信息。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种模拟失重大鼠的植入式微纳电极阵列芯片及其制备方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一方面，提供了一种模拟失重大鼠的植入式微纳电极阵列芯片，包括：硅针基底、微电极阵列、对电极、电化学参比电极和电生理参比电极；

其中，硅针基底分布于所述芯片前端的植入部分与后端的接口部分；在每根硅针尖端上表面分布多个微电极，所述多个微电极构成微电极阵列；在单根硅针或者多根不同硅针上面靠近所述微电极阵列的位置处设置有对电极、电化学参比电极和电生理参比电极。

其中，所述硅针基底是整个微纳电极阵列芯片的载体，呈薄片状。

其中，所述微电极阵列中的微电极为圆形微电极，直径为20±5μm，用于神经电生理信号、神经递质化学信号的双模检测。

其中，所述对电极、电化学参比电极、电生理参比电极的尺寸≤50μm，用于提供参考点位并保持电位稳定。

其中，所述植入部分为4根硅针，所述硅针长度依次递减，4根硅针上面分布4组微电极阵列，用于同时检测大脑皮层、海马区与丘脑区的电生理信号与多巴胺、谷氨酸神经递质电化学信号或者用于检测丘脑室旁核的电生理信号与电化学信号。

其中，所述硅针基底的材料选自单晶硅、掺杂硅、SOI绝缘硅或硼扩散硅其中之一。

其中，全部电极的材料是生物兼容性好的金属或者金属化合物导电薄膜，优选为金、铂、氮化钛或铟锡氧化物其中之一。

其中，所述植入式微纳电极阵列芯片还包括引线、焊盘和绝缘层，所述硅针基底后端的接口上面分布有多个焊盘，所述多个焊盘与植入部分上表面的电极之间设置有多根引线，且通过引线与尖端电极位点一一对应连接；所有引线的上表面覆盖有绝缘层。

其中，绝缘层所使用的材料为生物兼容性好的有机或无机绝缘材料，优选为二氧化硅、氮化硅、氮氧硅、SU8、聚酰亚胺或聚对二甲苯其中之一。

作为本发明的另一方面，提供了一种如上所述的微纳电极阵列芯片的制备方法，包括以下步骤：

在表面经过绝缘处理的硅片上，采用溅射、蒸镀、刻蚀的方法，形成微电极阵列、对电极、电化学参比电极、电生理参比电极、引线及焊盘的导电薄膜层；

通过沉积、溅射或旋涂的方法，在制备好的导电薄膜层表面覆盖绝缘层，通过刻蚀暴露出微电极阵列、对电极、电化学参比电极、电生理参比电极及焊盘，保留所有引线表面的绝缘层；

通过深刻蚀或自停止湿法腐蚀的方法，形成具有所需厚度的硅针基底的接口部分以及植入部分的外形，并去掉其他多余硅层，使整个微电极阵列芯片从硅片上分离释放；

通过电化学沉积或者物理滴涂、吸附方法，根据需要在微电极阵列中设定不同功能的圆形微电极表面修饰纳米材料或者敏感膜材料，使形成不同功能的圆形微电极。

基于上述技术方案可知，本发明的模拟失重大鼠的植入式微纳电极阵列芯片及其制备方法相对于现有技术至少具有如下有益效果之一：

(1)本发明提供的植入式神经信息双模检测微纳电极阵列，将在体多通道神经电生理检测、多巴胺、谷氨酸等神经递质电化学检测的功能集成一体，且芯片体积小、对组织损伤很小。

(2)本发明微电机阵列硅针长度依次递减，4根硅针上面分布4组微电极阵列，用于同时检测大脑皮层、海马区与丘脑区的电生理信号，避免多次植入损伤，能长时间连续检测。

(3)本发明提供的植入式神经信息双模检测微纳电极阵列，能够实现体内神经信息的高通量、原位、同步、双模检测，突破了以往技术只能对两种神经信息模式分开检测、实时性差的局限，为研究二者相互调制的关系提供了更加便捷有效的工具，为深入研究航天员在轨工作时失眠问题研究提供检测的新手段新工具，并对其预防、诊断和治疗具有非常重要的科学意义和应用价值。

附图说明

图1为本发明植入式神经信息双模检测微纳电极阵列芯片结构示意图；

图2为微电极阵列尖端位点局部放大示意图；

图3为本发明植入式神经信息双模检测微纳电极阵列芯片制备方法的流程框图；

图4为本发明植入式神经信息双模检测微纳电极阵列芯片制备方法的工艺流程图；

图5为微电极阵列***大鼠脑部实验示意图；

图6为采用本发明植入式神经信息双模检测微纳电极阵列芯片记录到的模拟失重大鼠多通道神经电生理信号示意图。

上述附图中，附图标记含义如下：

1、微电极阵列； 2、对电极； 3、电化学参比电极；

4、电生理参比电极； 5、硅针基底； 6、引线；

7、绝缘层； 8、焊盘；

9、用于电生理检测或神经递质检测的微电极。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种专用于模拟失重大鼠脑深部神经信号化学递质信号检测的植入式微纳电极阵列的设计及制备方法。该微纳电极阵列包括：硅针基底、4组按需排列的多个微电极、对电极、电化学参比电极、电生理参比电极、多条引线、多个焊盘以及氮化硅绝缘层。芯片采用微机电系统(MEMS)技术加工制备。硅针尖端部分用于植入模拟失重大鼠脑内，可用于开展大鼠脑神经系统的原位、同步检测脑内神经电信号和多巴胺、谷氨酸等神经递质化学信号。通过对比失重鼠与正常鼠的脑部关键核团信号的不同，可以探寻模拟失重环境影响大鼠脑功能进而影响大鼠睡眠的方式。

下面通过实施例及附图对本发明的技术方案进行进一步的阐释说明。图1所示为本发明提供的一种4硅针型植入式神经信息双模检测微纳电极阵列芯片。包括：硅针基底5、微电极阵列1、对电极2、电化学参比电极3和电生理参比电极4；

其中，硅针基底5分布于所述芯片前端的植入部分与后端的接口部分；在每根硅针尖端上表面分布多个微电极，所述多个微电极构成微电极阵列1；在单根硅针或者多根不同硅针上面靠近所述微电极阵列1的位置处设置有对电极2、电化学参比电极3和电生理参比电极4。

进一步的，所述硅针基底5是整个微钠电极阵列芯片的载体，呈薄片状，厚度约30μm。其前端呈平行排列，针状分支尖端呈30度角，向后增宽，最宽处为100μm，分支间距200μm。

每根分支表面呈梯形分布排列了4个圆形微电极，所有这些图形构成4×4的微电极阵列1。图2为单根分支上微电极阵列1的局部放大示意图。其中微电极9的直径为20μm，可用于双模检测神经电生理信号及神经递质化学信号。

在本实施例中，每根分支上与微电极阵列相聚0.5mm处，分别有一对电极2、电化学参比电极3、电生理参比电极4、此三电极尺寸均为50μm。在电生理信号检测过程中，电生理参比电极4用于提供参考点位；在神经递质电化学信号检测过程中，对电极2用于提供电流回路，并与电化学参比电极3一起，构成电化学检测的三电极体系。

进一步的，所述植入部分为4根硅针，所述硅针长度分别为6mm、5mm、4mm、3mm，4根硅针上面分布4组微电极阵列，用于同时检测大脑皮层、海马区与丘脑区的电生理信号与多巴胺、谷氨酸神经递质电化学信号或者用于检测丘脑室旁核的电生理信号与电化学信号。

在本实施例中，所述硅针基底的材料选用单晶硅、掺杂硅、SOI绝缘硅或硼扩散硅其中之一。

在本实施例中，所述植入式微纳电极阵列芯片还包括引线、焊盘和绝缘层，所述硅针基底后端的接口上面分布有多个焊盘，所述多个焊盘与植入部分上表面的电极之间设置有多根引线，且通过引线与尖端电极位点一一对应连接；所有引线的上表面覆盖有绝缘层。

其中，绝缘层所使用的材料为生物兼容性好的有机或无机绝缘材料，为二氧化硅、氮化硅、氮氧硅、SU8、聚酰亚胺或聚对二甲苯其中之一。

在本实施例中，微电极阵列1、对电极2、电化学参比电极3、电生理参比电极4与引线6的材料为铂金属薄膜，为提高信噪比，可在微电极9表面修饰纳米铂黑颗粒。为了提高检测神经递质多巴胺的选择性，可以在微电极9的表面修饰离子选择性Nafion膜。引线6表面覆盖氮化硅薄膜绝缘层。

上述所有电极均通过引线6延伸至硅针基底1的尾端，与方形焊盘8相连接。焊盘尺寸200μm，用于通过压焊的方式使电极与外部电路连接。

将硅针基底5尖端的分支部分植入模拟失重大鼠与正常大鼠脑内神经组织，使微电极阵列2与神经组织紧密接触，结合配套检测系统，即可开展大鼠在体神经信息的双模检测及相关实验，实验的具体操作为：

将大鼠分为两组，其中一组大鼠置入尾悬吊造模装置中，造模28天后取出，使用水迷宫行为学实验鉴定模拟失重模型大鼠的学习记忆功能受损情况；另外一组大鼠分开饲养。饲养过程中保持两组所有大鼠所处环境相同。

造模完成后将本发明植入两组大鼠脑内，植入位置如图5所示，植入脑区：皮层、海马区与丘脑；植入坐标为AP：3.6mm，ML：1.8m，DV：1.8mm、2.8mm、3.8mm、4.8mm(皮层深度0～2mm，海马区深度2～4mm，丘脑区深度4～6mm)；和丘脑室旁核(PVT)脑区，植入坐标AP：-2.52mm，mL：0mm，DV：4.75mm。

提取信号之后，对模拟失重大鼠与正常鼠数据进行对比分析，分析方法有：对比发放率(神经细胞每秒放电次数)的不同，spike峰峰值的时间延迟率，一段时间内的发放功率等。

本发明还提出了一种如上所述的植入式微纳电极阵列芯片的制备方法，包括以下步骤：

在表面经过绝缘处理的硅片上，采用溅射、蒸镀、刻蚀的方法，形成微电极阵列、对电极、电化学参比电极、电生理参比电极、引线及焊盘的导电薄膜层；

通过沉积、溅射或旋涂的方法，在制备好的导电薄膜层表面覆盖绝缘层，通过刻蚀暴露出微电极阵列、对电极、电化学参比电极、电生理参比电极及焊盘，保留所有引线表面的绝缘层；

通过深刻蚀或自停止湿法腐蚀的方法，形成具有所需厚度的硅针基底的接口部分以及植入部分的外形，并去掉其他多余硅层，使整个微电极阵列芯片从硅片上分离释放；

通过电化学沉积或者物理滴涂、吸附方法，根据需要在微电极阵列中设定不同功能的圆形微电极表面修饰纳米材料或者敏感膜材料，使形成不同功能的圆形微电极。

本发明的具体制备过程参考图3及图4，其中，图4的详细描述如下：

1.在表面绝缘的SO1硅片上旋涂一层正性光刻胶AZ1500，厚度1μm，光刻显影后形成掩模板上所有微电极阵列1、对电极2、电化学参比电极3、电生理参比电极4引线6及焊盘8的图案(图4a)。

2.在光刻胶图案表面溅射一层厚度30nm的Ti金属种子层，以增加Pt导电薄膜层与硅片基底的粘附性，接着溅射250nm的Pt薄膜层(图4b)。

3.采用剥离工艺去除多余的Ti/Pt薄膜层，留下所需电极，引线6及焊盘8(图4c)。

4.在制备好Pt薄膜层的基底表面，电化学沉积氮化硅绝缘层，厚度800nm。通过光刻和SF₆等离子刻蚀方法，暴露出微电极阵列1、对电极2、电化学参比电极3、电生理参比电极4以及焊盘8，保留所有引线6表面的氮化硅绝缘层。(图4d)。

5.旋涂一层厚光刻胶，光刻显影后形成刻蚀硅针基底所需的掩膜版图形，通过感应离子耦合深刻蚀的方法，在SOI硅片正面刻蚀出具有所需厚度的硅针基底针状外形(图4e)。

6.通过湿法腐蚀的方法，将SOI硅片背面的硅层腐蚀掉，在通过超声震荡的方法，破除SOI硅片自带的二氧化硅薄膜，使以硅针基底为载体的整个微电极阵列芯片从硅片上分离释放(图4f)。

图6即为采用本发明设计电极测得大鼠海马区两种spike信号。可以看出两种信号波形和幅值都有所不同，证明本发明可以测到单细胞级别的信号。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。