一种液态金属柔性光遗传神经电极及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 一种液态金属柔性光遗传神经电极及其制备方法和应用 (Liquid metal flexible optical genetic nerve electrode and preparation method and application thereof ) 是由 蒋兴宇 董瑞华 于 2021-07-06 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种液态金属柔性光遗传神经电极及其制备方法和应用,所述液态金属柔性光遗传神经电极包括柔性聚合物层、位于柔性聚合物层上的液态金属神经电极阵列、置于液态金属神经电极阵列的金属导线一端的微型LED,以及位于液态金属神经电极阵列外层的封装层。本发明选择液态金属材料与柔性高分子材料作为神经电极的电路,结合微型LED制成可拉伸光遗传神经电极,具有很好的拉伸性能和生物相容性,特别适用于光遗传神经调控。在神经电极长期植入过程中,柔性可拉伸的光遗传电极可显著降低电极植入对周围组织的损伤,实现神经电极的长期稳定使用。液态金属柔性光遗传电极制备方法简单,加工成本较低,为光遗传电极批量化生产提供了设计思路。(The invention provides a liquid metal flexible optogenetic neural electrode and a preparation method and application thereof. The stretchable optogenetic nerve electrode is made of the liquid metal material and the flexible high polymer material and is combined with the micro LED, has good stretching performance and biocompatibility, and is particularly suitable for optogenetic nerve regulation. In the long-term implantation process of the nerve electrode, the flexible stretchable optogenetic electrode can obviously reduce the damage of the implantation of the electrode to peripheral tissues, and the long-term stable use of the nerve electrode is realized. The liquid metal flexible optogenetic electrode is simple in preparation method and low in processing cost, and provides a design idea for mass production of the optogenetic electrode.)
技术领域
本发明属于神经科学工程
技术领域
，具体涉及一种液态金属柔性光遗传神经电极及其制备方法和应用。背景技术
光遗传技术(Optogenetics)是指通过在特定神经细胞中引入光感基团(例如ChR2或NpHR)使其能够对特定波长的光照刺激产生不同的动作电位的响应，实现神经细胞选择性兴奋或者抑制的调控。与传统神经细胞调控技术相比，光遗传技术具有时间和空间分辨率高、细胞特异性强和定位精准等不可比拟的优势，为神经调控和神经疾病诊疗等领域提供了强大的研究工具，被广泛应用于神经类疾病发病机理和治疗机制的研究当中。
目前，为了在活体动物水平实现光遗传调控神经活动，通常是将光学波导提前埋植到动物体内，再通过波导将特定波长的激光导入到动物的目标脑区。常用的石英光纤不仅加工工艺极其复杂，而且其杨氏模量在GPa量级与kPa级别的脑组织存在较大的机械性能差异，进而导致在长期植入过程中，影响光刺激效果并对周围脑组织造成严重的损伤。此外，对于迷走神经、坐骨神经等外周神经部位存在较大形变(40％左右)，坚硬的石英光纤完全无法适用。
CN201811434534公开了一种基于海藻酸钠-聚丙烯酰胺共聚物的柔性可拉伸光纤，柔性光纤具有良好的生物相容性和导光性，为脊髓和周边神经的精准干预提供了新型工具。然而柔性光纤尺寸无法加工集成，同时需要连接外部庞大的光纤光源，限制了动物的自由活动。
CN110742597A公开了一种制备TPU/PDMS三维多孔神经电极的方法首先将具有良好生物相容性的线性聚合物溶解配制成适宜浓度的电纺液，利用静电纺丝技术调整工艺参数制备具有三维空间网络结构的纤维膜，然后通过溅射、蒸镀以及化学沉积等多种手段赋予纤维膜导电性；最后连接导线等，得到具有良好拉伸、粘附性能的三维多孔神经电极。然而其制备的三维多孔神经电极并不能应用于光遗传调控领域。
CN110251125A公开了一种柔性可拉伸神经电极及其制备方法和应用，所述柔性可拉伸神经电极包括柔性高分子材料、嵌于所述柔性高分子材料的液态金属电极以及绝缘材料；所述液态金属电极包括导线、分别位于导线两端的电极位点和外部接口端；所述绝缘材料覆盖液态金属电极的导线和外部接口端。然而该柔性可拉伸神经电极并不能应用于光遗传调控领域。
因而，本领域期望开发一种能够应用于光遗传调控领域并且可拉伸的神经电极。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种液态金属柔性光遗传神经电极及其制备方法和应用。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明提供一种液态金属柔性光遗传神经电极，所述液态金属柔性光遗传神经电极包括柔性聚合物层、位于所述柔性聚合物层上的液态金属神经电极阵列、置于所述液态金属神经电极阵列的金属导线一端的微型LED，以及位于所述液态金属神经电极阵列外层的封装层。
在本发明中，液态金属柔性光遗传神经电极选择液态金属材料与柔性高分子材料作为神经电极的电路，采用液态金属柔性可拉伸电极阵列结合商用的微型LED制成可拉伸光遗传神经电极，不仅具有优异的拉伸性能，满足外周神经组织存在较大的形变，实现稳定的光刺激，而且具有良好的生物相容性和稳定性，加工工艺简单可靠，大大提高了现有光遗传神经电极的拉伸性能，为光遗传神经调控提供新的技术工具。
本发明的液态金属柔性光遗传神经电极在应用在光遗传模型中时，可使LED灯作为光源，稳定刺激神经元，即使在生物体剧烈运动的情况下也可以持续接收光信号。
优选地，所述柔性聚合物层的材料为聚二甲基硅氧烷、聚L-丙交酯-己内酯、聚氯乙烯或聚己内酯中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述液态金属为镓、镓铟合金、镓铟锡合金、镓锌合金中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述液态金属神经电极阵列包括至少两条金属导线。在本发明中，所述金属导线即为所述液态金属形成的金属导线。
优选地，所述微型LED为商用的氮化镓固态LED发射器。
优选地，所述封装层的材料为聚二甲基硅氧烷、聚L-丙交酯-己内酯、聚氯乙烯或聚己内酯中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述柔性聚合物层的厚度为30-80微米，例如30微米、35微米、40微米、45微米、50微米、55微米、60微米、65微米、70微米、75微米或80微米。
优选地，所述液态金属神经电极阵列的厚度为10-30微米，例如10微米、15微米、18微米、20微米、23微米、25微米、28微米或30微米。
优选地，所述封装层的厚度为10-30微米，例如10微米、15微米、18微米、20微米、23微米、25微米、28微米或30微米。
另一方面，本发明提供了如上所述的液态金属柔性光遗传神经电极的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将液态金属油墨印刷在基底上，待油墨中的有机溶剂挥发后，在上面旋涂柔性聚合物溶液，待柔性聚合物溶液固化后，得到转印在柔性聚合物上的液态金属神经电极阵列；
(2)将微型LED固定在液态金属神经电极阵列上，而后旋涂封装材料，得到封装层，进而得到所述液态金属柔性光遗传神经电极。
本发明采用微纳加工技术制备出液态金属柔性可拉伸电极阵列，结合商用的微型LED制成可拉伸光遗传神经电极，光遗传神经电极的生物相容性好、制备工艺简化并且具有优异的拉伸性能，满足在长期活体植入过程外周神经组织调控的拉伸性能需求，为光遗传神经调控提供新的研究工具。
优选地，步骤(1)所述印刷采用丝网印刷技术。
优选地，步骤(1)所述基底为玻璃、PET或PVC。
优选地，步骤(1)所述有机溶剂为正癸醇、乙醇、N,N-二甲基甲酰胺中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，步骤(1)中所述柔性聚合物为聚二甲基硅氧烷、聚L-丙交酯-己内酯、聚氯乙烯或聚己内酯中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，步骤(1)所述旋涂柔性聚合物溶液的质量百分比浓度为10％-90％，例如10％、20％、30％、60％、80％或90％。
优选地，步骤(1)所述固化的温度为60-90℃，例如60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃或90℃。
优选地，步骤(2)将微型LED固定在液态金属神经电极阵列上之间将基底与柔性聚合物剥离。
优选地，步骤(2)所述旋涂封装材料后，再次进行固化，得到封装层。
优选地，所述固化的温度为60-90℃，例如60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃或90℃。
另一方面，本发明提供了一种人工植入材料，所述人工植入材料包括如上所述的液态金属柔性光遗传神经电极。
另一方面，本发明提供了如上所述的液态金属柔性光遗传神经电极或人工植入材料在制备光遗传神经调控材料中的应用。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明的液态金属柔性光遗传神经电极，选择液态金属材料与柔性高分子材料作为神经电极的电路，结合微型LED制成可拉伸光遗传神经电极，具有很好的拉伸性能，良好的生物相容性，特别适用于光遗传神经调控，对于光遗传电极的长期植入，极大地降低对于周围组织的免疫反应，实现长期体内应用。液态金属柔性可拉伸光遗传电极，最大拉伸率可达到100％，在100％拉伸强度下稳定循环2000次以上，对于外周神经组织或其他较大形变的神经调控具有广阔的应用前景，在神经科学领域和临床科学具有重大的实际应用价值。
本发明采用丝网印刷和旋涂封装技术，加工成本显著降低，封装方式简单可靠，对于柔性光遗传电极的批量生产应用起到巨大的推动作用。
附图说明
图1为本发明制备的液态金属柔性可拉伸光遗传神经电极的组成分解图：1-柔性聚合物层，2-液态金属神经电极阵列，3-微型LED和4-封装层。
图2为本发明实施例1制备的液态金属柔性可拉伸光遗传神经电极的应力应变曲线。
图3为本发明实施例1制备的液态金属柔性可拉伸光遗传神经电极的细胞存活率测试结果图。
图4为培养在液态金属光遗传电极表面的海马神经元的活死染色照片。
图5为本发明实施例1制备的液态金属柔性可拉伸光遗传神经电极植入到大鼠背部，引起的周围组织中的免疫细胞的影响的深度的测定结果图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供一种液态金属柔性可拉伸光遗传神经电极，其结构的分解图如图1所示，其包含柔性聚合物层、液态金属神经电极阵列、微型LED和封装层，具体制备方法如下：
步骤1：称取5克的镓铟合金液态金属加入1毫升的N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，超声2分钟使液态金属颗粒与溶剂混合均匀。
步骤2：使用丝网印刷技术，将混合液放置在刻有电路图案的丝网板上，将PET薄膜放置于丝网板下作为基底，进行印刷；
步骤3:将印刷成功的液态金属电路图案放置在80℃的烘箱内，将PDMS与硅胶固化剂按照10:1的质量比混合，得到柔性聚合物溶液；
步骤4:用匀胶机将柔性聚合物溶液旋涂在带有液态金属电路的PET薄膜上，并放入80℃的烘箱内使得PDMS进行固化；
步骤5:将PDMS薄膜从PET膜上剥离，使液态金属电路转印到柔性PDMS薄膜上；
步骤6:将LED灯用导电银胶固定在液态金属电路上，通过匀胶机用PDMS对电路进行封装，放入80℃的烘箱再次固化；得到所述液态金属柔性可拉伸光遗传神经电极。
利用3V的电压测试电极的完整性，观察LED灯是否发光，LED正常工作，满足光遗传所需光强刺激；使用激光将已封装的电路从PDMS薄膜中裁下，令其尺寸符合植入要求。
为了验证本实施例所述的液态金属光遗传神经电极的拉伸性能和生物相容性，利用万能试验机对神经电极的拉伸性能进行了测试。如图2所示，液态金属光遗传神经电极最大可以承受108％的拉伸强度，同时保持稳定的电学稳定性。进一步地，将提取的原代海马神经元细胞种植在液态金属光遗传电极表面，观察细胞的生长形态和存活情况，进而对光遗传电极的生物相容性进行评价。如图3所示，与普通细胞培养皿中的细胞存活情况相比，液态金属光遗传电极表面神经元细胞生长良好，细胞存活率在80％左右。在培养7天后，利用细胞活死染料对神经元细胞进行活死染色，从图4中可以看出，海马神经元细胞在液态金属光遗传电极表面充分铺展，神经元形态良好，实验结果表明液态金属光遗传神经电极具有良好的生物安全性和神经元细胞相容性。将液态金属柔性可拉伸光遗传神经电极植入到大鼠背部，引起的周围组织中的免疫细胞的个数，随着距离的增加，免疫细胞个数逐步降低，影响的深度范围大约在200微米(如图5所示)。
实施例2
本实施例提供一种液态金属柔性可拉伸光遗传神经电极，具体制备方法如下：
步骤1：称取7克的镓铟合金液态金属加入0.9毫升的正癸醇溶剂中，超声2分钟使液态金属颗粒与溶剂混合均匀；
步骤2：使用丝网印刷技术，将混合液放置在刻有电路图案的丝网板上，将PVC薄膜放置于丝网板下作为基底，进行印刷；
步骤3:将印刷成功的液态金属电路图案放置在80℃的烘箱内，称取2.4克TPU颗粒与17.6克N,N-二甲基甲酰胺溶剂，在常温磁力搅拌器中以300rpm的速度搅拌，直至搅拌均匀，得到柔性聚合物溶液；
步骤4:用匀胶机将TPU混合液悬涂在带有液态金属电路的PVC薄膜上，并放入80℃的烘箱内使得TPU进行固化；
步骤5:将TPU薄膜从PVC膜上剥离，使液态金属电路转印到柔性TPU薄膜上；
步骤6:将LED灯用导电银胶固定在液态金属电路上，通过匀胶机用TPU对电路进行封装，放入80℃的烘箱使TPU固化；得到所述液态金属柔性可拉伸光遗传神经电极。
利用3V的电压测试电极的完整性，观察LED灯是否发光，使用激光将已封装的电路从TPU薄膜中裁下，令其尺寸符合植入要求。
实施例3
本实施例提供一种液态金属柔性可拉伸光遗传神经电极，具体制备方法如下：
步骤1：称量液态金属放置于松油醇溶剂中使其体积比为1:2，超声3分钟使液态金属颗粒与溶剂混合均匀；
步骤2：使用丝网印刷技术，将混合液放置在刻有电路图案的丝网板上，将PET薄膜放置于丝网板下作为基底，进行印刷；
步骤3：将印刷成功的液态金属电路图案放置在80℃的烘箱内，称取4克PCL颗粒、14毫升N,N-二甲基甲酰胺溶剂与14毫升四氢呋喃溶剂，在常温磁力搅拌器中以350rpm的速度搅拌，直至搅拌均匀，得到柔性聚合物溶液；
步骤4：用匀胶机将聚合物混合液悬涂在带有液态金属电路的PET薄膜上，并放入80℃的烘箱内使得PCL进行固化；
步骤5：将PCL薄膜从PET膜上剥离，使液态金属电路转印到柔性PCL薄膜上；
步骤6：将LED灯用导电银胶固定在液态金属电路上，通过匀胶机用PCL对电路进行封装，放入80℃的烘箱使PCL固化；得到所述液态金属柔性可拉伸光遗传神经电极。
利用3V的电压测试电极的完整性，观察LED灯是否发光；使用激光将已封装的电路从PCL薄膜中裁下，令其尺寸符合植入要求。
同样对实施例2和实施例3的液态金属光遗传神经电极的拉伸性能和生物相容性进行了与实施例1相同的测试，测试结果同样表明，实施例2和实施例3的液态金属光遗传神经电极分别最大可以承受150％、70％的拉伸强度，同时保持稳定的电学稳定性，液态金属光遗传电极表面神经元细胞生长良好，细胞存活率在80％左右，培养7天后，利用细胞活死染料对神经元细胞进行活死染色，表明海马神经元细胞在液态金属光遗传电极表面充分铺展，神经元形态良好，具有良好的生物安全性和神经元细胞相容性。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的液态金属柔性光遗传神经电极及其制备方法和应用，但本发明并不局限于上述实施例，即不意味着本发明必须依赖上述实施例才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
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