基于smp的螺旋形监测脑电装置及其制备方法
阅读说明：本技术 基于smp的螺旋形监测脑电装置及其制备方法 (SMP-based spiral electroencephalogram monitoring device and preparation method thereof ) 是由 冯雪 王宙恒 张迎超 于 2020-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于SMP的螺旋形监测脑电装置及其制备方法。该装置具有仿生三明治结构,在处于展平状态时沿厚度方向自上而下依次包括采集信号装置、中间层SMP、加热装置和底层SMP,其中中间层SMP和底层SMP由永久形状可重构的材料制成,采集信号装置和加热装置均为图案化的金属薄膜,并且当对加热装置施加电压时,随着温度超过中间层SMP和底层SMP的转变温度,中间层SMP和底层SMP逐渐恢复至永久形状,监测脑电装置的螺旋形状发生膨胀,在工作状态下,监测脑电装置的螺旋半径大于被试的耳道半径,使得采集信号装置与被试的耳道内侧紧密接触。(The invention provides a SMP-based spiral electroencephalogram monitoring device and a preparation method thereof. The device has a bionic sandwich structure, sequentially comprises a signal acquisition device, an intermediate layer SMP, a heating device and a bottom layer SMP along the thickness direction from top to bottom when the device is in a flattening state, wherein the intermediate layer SMP and the bottom layer SMP are made of materials with reconfigurable permanent shapes, the signal acquisition device and the heating device are patterned metal films, and when voltage is applied to the heating device, the intermediate layer SMP and the bottom layer SMP gradually recover to the permanent shapes along with the temperature exceeding the transition temperature of the intermediate layer SMP and the bottom layer SMP, the spiral shape of the electroencephalogram monitoring device expands, and in the working state, the spiral radius of the electroencephalogram monitoring device is larger than the radius of the tested auditory canal, so that the signal acquisition device is in close contact with the inner side of the tested auditory canal.)
技术领域
本发明涉及医疗检测技术领域，具体地，涉及一种基于形状记忆聚合物(SMP)的螺旋形、仿生三明治结构监测脑电装置及其制备方法，其中该监测脑电装置可以通过主动加热实现螺旋攀爬，从而可以实时监测耳道内脑电信号。
背景技术
耳道是距离颞区较近的区域，能够深入耳道内监测到脑电信号将对颞区肿瘤等病人提供非常重要的借鉴意义。前期诸多工作大部分都是依托于耳塞等支撑物将电极与支撑物集成，从而达到测试目的，但该测试具有明显的缺点：由于该支撑物被插入耳道，被试无法同时与外界沟通交流，且有明显的阻塞感与不舒适感，从而导致所引入的与任务无关的复杂情绪波动对后续信号分析带来极大的困难。
形状记忆高分子(SMP)是一类新型的功能高分子材料，是当前高分子材料研究、开发、应用的一个新的分支点。然而，目前尚未有将任何SMP应用于监测脑电装置的报道。SMP同时兼具有塑料和橡胶的特性。通过对SMP进行分子设计及分子结构的调整，能够使其在一定条件下被赋予一定的形状(起始态)。当外部条件发生变化时，SMP可相应地改变形状并将其固定(变形态)。如果外部环境以特定的方式和规律再次发生变化，SMP便可逆地恢复至起始态。至此，完成“记忆起始态-固定变形态-恢复起始态”的循环。SMP的形状记忆效应来源其内在两相结构，即可逆相与固定相。对于热响应型SMP，在被加热至SMP转变温度以上后，分子网络中的可逆相被激活。在SMP受到外力作用下时，分子网络结构发生变形，此时维持外力，并将SMP温度冷却至转变温度以下，可逆相发生冻结，材料保持为“临时形状”。撤去外力，并再次将SMP加热至其转变温度以上，被冻结的可逆相激活，SMP在熵弹性作用下恢复至其“永久形状”。传统热固性SMP的永久形状大多依赖于制备时所用模具形状，参考文献1中则记载了永久形状可重构的SMP体系，在该材料体系中，研究者们将可逆动态共价键引入到SMP聚合物网络，突破了模具对SMP永久形状设定的限制。
现有技术文献
参考文献
参考文献1：Zhao Q,Zou W,Luo Y,et al.Shape memory polymer network withthermally distinct elasticity and plasticity.Science Advances.2016,2:e150129
发明内容
本发明是鉴于上述脑电监测中存在的问题而做成的，其目的在于使被试能够在进行脑电监测的同时与外界沟通交流，并且在监测脑电装置插入耳道时的阻塞感与不适感能被减轻或克服，从而减少无关的情绪波动对信号分析的影响。
本发明提供一种基于SMP的螺旋形监测脑电装置，其具有仿生三明治结构，所述监测脑电装置处于展平状态时沿厚度方向自上而下依次包括采集信号装置、中间层SMP、加热装置和底层SMP，其中，所述中间层SMP和所述底层SMP由永久形状可重构的材料制成，所述采集信号装置和所述加热装置均为图案化的金属薄膜，并且当对所述加热装置施加电压时，随着温度超过所述中间层SMP和所述底层SMP的转变温度，所述中间层SMP和所述底层SMP逐渐恢复至永久形状，所述监测脑电装置的螺旋形状发生膨胀，在工作状态下，所述监测脑电装置的螺旋半径大于被试的耳道半径，使得所述采集信号装置与所述被试的耳道内侧紧密接触。
本发明还提供了一种基于SMP的螺旋形监测脑电装置的制备方法，所述方法包括以下步骤：
通过图案化金属薄膜形成采集信号装置和加热装置；
利用转印过程将所述采集信号装置和所述加热装置集成到基于SMP的仿生三明治结构中，该仿生三明治结构为所述采集信号装置/中间层SMP/所述加热装置/底层SMP；
将所述仿生三明治结构进行加热软化、缠绕在具有第一直径的第一棒体上，然后进行热处理，使所述中间层SMP和所述底层SMP的分子网格结构发生变形，记忆所述中间层SMP和所述底层SMP的永久形状；
将所述仿生三明治结构冷却至所述中间层SMP和所述底层SMP的转变温度以下，从所述第一棒体上取下该仿生三明治结构，加热软化后使所述三明治结构缠绕在具有小于所述第一直径的第二直径的第二棒体上，使所述中间层SMP和所述底层SMP固定为临时形状，从所述第二棒体取下所述仿生三明治结构，获得所述螺旋形监测脑电装置。
根据本发明的基于SMP的螺旋形监测脑电装置及其制备方法，能够使被试在进行脑电监测的同时与外界交流，并且极大地缓解了装置被插入耳道时被试的不适感，为更准确地进行脑电信号分析提供了保证。
附图说明
根据以下参照附图对示例性实施例的详细说明，本发明的其它特征及方面将变得清楚。
图1是根据本发明的一个实施方式的监测脑电装置处于展平状态时的截面图。
图2是根据本发明的一个实施方式的监测脑电装置中的采集信号装置的平面图。
图3是根据本发明的一个实施方式的监测脑电装置中的加热装置的平面图。
图4是根据本发明的另一实施方式的监测脑电装置处于展平状态时的截面图。
图5是位于耳道中的根据本发明的实施方式的监测脑电装置的示意图。
图6示出了位于耳道中的根据本发明的实施方式的监测脑电装置在工作状态下的示意图。
附图标记说明
1 监测脑电装置
10 采集信号装置
20 聚二甲基硅氧烷(PDMS)
30 中间层SMP
40 加热装置
50 底层SMP
101 电极
102 信号线
103 引线端
401 电阻
402 引线端
2 耳道
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不用于穷举本发明的所有可行的方式，也不用于限制本发明的范围。
图1是根据本发明的一个实施方式的监测脑电装置1处于展平状态时的截面图，示出了该监测脑电装置1的类似于三明治的层状结构。如图1所示，该监测脑电装置1沿厚度方向自上而下(自外而内)依次包括：采集信号装置10、中间层SMP 30、加热装置40和底层SMP50，各层的厚度可以分别为7μm-13μm(例如10μm)、80μm-120μm(例如100μm)、7μm-13μm(例如10μm)和80μm-120μm(例如100μm)。
在该实施方式的监测脑电装置1中，采用了两种永久形状可重构的SMP，即中间层SMP 30(较软)和底层SMP 50(较硬)。这两种SMP的转变温度不同、弹性模量也不同，其中作为支撑结构的较硬的底层SMP 50的转变温度例如为45℃，弹性模量为MPa量级，在结构中主要起到类似于骨架的支撑作用；较软的中间层SMP 30的转变温度例如为37℃，弹性模量为kPa量级，在结构中主要起到方便转印与操作的作用。当达到转变温度时，SMP(即，中间层SMP 30)的黏度会增大，从而无需其它胶水等辅助液体就可使采集信号装置10和加热装置40集成，并且在一定程度上能够辅助监测脑电装置1的整体变形。需要说明的是，尽管在该实施方式中示出了采用两种永久形状可重构的SMP的示例，但是本发明不限于此。仅采用一种永久形状可重构的SMP，或者采用其它的永久形状可重构的SMP，均可以实现本发明。
在该实施方式中，采集信号装置10(参照图2)和加热装置40(参照图3)均为图案化的金属薄膜且均沿厚度方向自上而下依次包括聚酰亚胺(即PI)、金(Au)、铬(Cr)和PI，其中PI的厚度为3μm-5μm，Au的厚度为100nm-200nm，Cr的厚度可以为10nm。在其它实施方式中，还可以采用Ti来代替Cr。采集信号装置10和加热装置40的图案化确保了其在变形过程中的柔性与可拉伸性。如图2所示，采集信号装置10具有多个电极(即采集端)101，因此可以采用多点采集(多点单测)的方式进行脑电监测(采集信号装置不限于该种图案及连接方式)。电极101经由信号线102连接到引线端103。由于采集信号装置10与皮肤接触的部分需要使电极裸露，所以在电极101的上方没有PI封装，即采集信号装置10在电极101处沿厚度方向自上而下依次仅包括Au、Cr和PI，而在信号线102的上方则覆盖有PI。如图3所示，在加热装置40中，电阻401的图案为梅花形，但电阻401的形状不限于梅花形，也可以是圆形、方形、星形等任何形状。多个电阻401串联，通过引线端402连接至电源。在对电阻401的形状和数量进行设计时，需要考虑监测脑电装置1在插入耳道时对人体的安全性，因此只要保证对加热装置40施加6V-10V直流电压、加热装置40的总电阻为200Ω-400Ω(例如大约300Ω)即可，这样可以为SMP的变形提供大约为40℃-50℃的所需温度。
图4示出了根据本发明的另一实施方式的监测脑电装置处于展平状态时的截面图。与上述实施方式的不同之处在于，在本实施方式中，为了确保监测脑电装置1在与皮肤接触时无灼热感，在监测脑电装置1中还包括作为吸热层(隔热层)的PDMS 20。本实施方式中的其它结构均与上述实施方式相同，故省略其说明。该PDMS 20在厚度方向上位于采集信号装置10与所述中间层SMP 30之间，并且厚度可以为5μm-10μm。可选地，还可以在PDMS 20中添加吸热粉末，以进一步确保被试不会因监测脑电装置1的发热而感到不适。
图5是位于耳道2中的根据本发明的实施方式的监测脑电装置1的示意图。如图5所示，根据该实施方式的监测脑电装置1为直径3mm的小螺旋形状。需要说明的是，尽管本实施方式中示出的直径为3mm，但不限于此，只要确保该直径小于耳道最窄的直径即可。该小螺旋形状对应于SMP处于“临时形状”的状态，此时，SMP的可逆相被冻结。当具有小螺旋形状的监测脑电装置1被插入被试的耳道2中并对加热装置40施加6V-10V的直流电压时，随着温度超过中间层SMP 30和底层SMP 50的转变温度，被冻结的可逆相激活，从而中间层SMP 30和底层SMP 50在熵弹性作用下从“临时形状”逐渐恢复至其“永久形状”。相应地，监测脑电装置1从小螺旋形状逐渐膨胀为大螺旋形状。如图6所示，位于耳道2中的根据本发明的实施方式的监测脑电装置1处于工作状态时为直径8mm(第一直径)的大螺旋形状。需要说明的是，尽管本实施方式中示出的直径为8mm，但不限于此，只要确保该直径大于耳道最宽的直径即可。该大螺旋形状对应于SMP处于“永久形状”的状态，监测脑电装置1以该大螺旋形状进行工作(脑电监测)。在工作状态下，由于大螺旋形状的监测脑电装置1的螺旋半径大于耳道2的半径，所以可以保证监测脑电装置1的采集信号装置10与耳道2内侧紧密接触。在撤去直流电压之后，监测脑电装置1的整体结构冷却，此时中间层SMP 30和底层SMP 50变硬，监测脑电装置1的整体结构支撑于耳道2内侧，通过采集信号装置10采集被试的脑电信号。由于在工作状态下，监测脑电装置1为螺旋形状，螺旋的中空或镂空构造使监测脑电装置1的透气性良好，被试能够随时与外界交流，并且由于SMP为生物兼容性材料，也不会对耳道2内较为敏感的皮肤带来不适感。因此，根据本发明的该实施方式的监测脑电装置1在测试时极大地缓解了被试在异物插入耳道2时的不适感，减少了无关的情绪波动对信号分析的影响。
在完成信号监测之后，通过再次对加热装置施加6V-10V的直流电压，能够使中间层SMP 30和底层SMP 50软化，此时从被试的耳道取出监测脑电装置1即可。
应当理解，仅出于示例的目的，将耳道2绘制成直管状。本领域技术人员可以理解，由于监测脑电装置1的螺旋形状，特别是相邻的匝圈间隔开的螺旋形状，其可以适当地贴合于实际上不是直的且直径变化的耳道。
下面详细地说明监测脑电装置1的制备方法。该方法包括：
(1)制备图案化的采集信号装置10和加热装置40
如前所述，采集信号装置10和加热装置40均为PI(第一PI)/Au/Cr/PI(第二PI)结构，因此其制备方法大致相同。首先，选择硅片作为硬质基片，在基片上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为牺牲层，并加热待其成膜。在牺牲层上涂覆聚酰亚胺前驱体PAA溶液(转速5000rpm，持续时间40s)，阶段加热固化为第二PI薄膜(厚度为3μm-5μm)。然后，采用薄膜生长技术(例如蒸镀或溅射)在制作好的PI薄膜上进行金属层材料的生长，形成金属薄膜。其中，金属薄膜可以包括第一金属层和第二金属层，第二金属层用于将第一金属层粘结至第二PI薄膜。第一金属层可以选用延展性较好的金属，例如Au，其厚度可以为100nm-200nm。由于第二金属层主要用于粘结第一金属层与第二PI薄膜，所以第二金属层可以选用金属Cr、Ti中的一者，其厚度可以为5nm-20nm。例如，当第二金属层为Cr时，其厚度可以为10nm。
接下来，利用光刻法或者光刻掩膜抬离法对金属薄膜进行图案化。通过图案化可以将电极主体制成网状结构(参照图2和图3)，以此为掩膜、采用反应离子刻蚀技术刻蚀PI薄膜，能够得到自上而下分别为Au/Cr/PI/PMMA的柔性可延展装置。
最后，在Au/Cr/PI/PMMA结构的最上层旋涂制备光敏型PI(第一PI)，套刻形成相对应图案，制成柔性可延展的采集信号装置10或加热装置40。对于采集信号装置10，需要将采集端(即电极101)裸露，因此在电极101的单点处自上而下仍旧为Au/Cr/PI/PMMA，而其余部分图案将被PI覆盖，自上而下依次为PI/Au/Cr/PI/PMMA；对于加热装置40，则完全用PI封装以保证其可靠性，自上而下依次为PI/Au/Cr/PI/PMMA。
(2)利用转印形成仿生三明治结构
在此，以该仿生三明治结构为采集信号装置10/PDMS 20/中间层SMP 30/加热装置40/底层SMP 50结构为例说明转印步骤。首先，在丙酮中刻蚀牺牲层PMMA，并将采集信号装置10和加热装置40分别转印至柔性基底(例如，PDMS)上，引线端103和402分别焊接ACF线。将加热装置40再次转印至加热后黏性较大的较软的将作为中间层的SMP上，然后在加热装置40的集成有较软SMP的那侧的相反侧集成将作为底层的较硬SMP，形成三明治夹心结构(较软SMP/加热装置40/较硬SMP)。转印较薄的PDMS 20(厚度为5μm-10μm)，使其与加热后黏性较大的较软SMP的未集成有加热装置40的那一面集成，将采集信号装置10转印至该层较薄的PDMS 20上，形成监测脑电装置1的层状结构。如图4所示，该层状结构沿厚度方向自上而下依次为采集信号装置10、PDMS 20、中间层SMP 30(较软SMP)、加热装置40和底层SMP50(较硬SMP)。
需要说明的是，当制备如图1所示的不包括PDMS 20的仿生三明治结构时，仅需要省略转印较薄的PDMS 20的步骤，而直接将采集信号装置10转印至中间层SMP 30的未集成有加热装置40的那一面即可。
(3)记忆采集信号装置10/PDMS 20/中间层SMP 30/加热装置40/底层SMP 50结构的大螺旋形状(对应SMP的起始态、即永久形状)
对采集信号装置10/PDMS 20/中间层SMP 30/加热装置40/底层SMP 50结构进行加热软化(50℃)，将其缠绕在直径为8mm(第一直径)的特氟龙棒上，两端分别用PI胶带固定。将该结构放入烘箱中，在150℃下加热40min，然后在175℃下加热15min，使该结构形成如图6所示的大螺旋形状的监测脑电装置1。此时，分子网络中的可逆相被激活，SMP在受到外力作用的情况下(如本实施方式中的捆绑在直径为8mm的特氟龙棒上)分子网络结构发生变形。
(4)冷却至SMP的转变温度以下，将采集信号装置10/PDMS 20/中间层SMP 30/加热装置40/底层SMP 50结构固定至小螺旋形状(对应SMP的变形态、即临时形状)
待采集信号装置10/PDMS 20/中间层SMP 30/加热装置40/底层SMP 50结构自然冷却后，从直径为8mm的特氟龙棒上取下该结构，在50℃热水中进行软化，然后将软化后的该结构缠绕在直径为3mm的特氟龙棒上，两端分别用PI胶带固定。待结构冷却后，撕下PI胶带，从直径为3mm(第二直径)的特氟龙棒取下该结构，此时，可逆相发生冻结，SMP保持为临时形状，得到如图5所示的小螺旋形状的监测脑电装置1。
当需要使用监测脑电装置1进行测试时，只需将监测脑电装置1插入耳道并施加6V-10V的直流电压，利用加热装置40获得40℃-50℃的温度，从而使SMP达到其转变温度之上。此时SMP即可逐渐恢复其永久形状(起始态)，相应地，监测脑电装置1也由小螺旋形状膨胀为大螺旋形状。待冷却后(停止施加电压)，监测脑电装置1实现自支撑，能够使采集信号装置10紧密地贴合耳道内侧，从而进行有效的脑电监测。
本发明至少具有以下优点中的一个优点：
(1)采集信号装置10和加热装置40是图案化的金属薄膜确保了其在变形过程中的柔性与可拉伸性。
(2)监测脑电装置1在工作状态下为螺旋形状，螺旋的中空或镂空构造使监测脑电装置1的透气性良好，被试能够随时与外界交流，并且SMP为生物兼容性材料，不会对耳道内较为敏感的皮肤带来不适感，从而减少了无关的情绪波动对信号分析的影响。
当然，本发明不限于上述实施方式，本领域技术人员在本发明的教导下可以对本发明的上述实施方式做出各种变型，而不脱离本发明的范围。