一種植入式卡夫神經電極及其制作方法
【專利摘要】本發明克服現有技術卡夫圓筒直徑固定，難以大規模制造，電極尺寸較大、對組織損傷較大等問題，提供一種基于微加工技術的植入式卡夫神經電極及其制作方法。基于微加工工藝，所述植入式卡夫神經電極包括：帶有電極點（1）和自鎖結構的長條狀帶子（2）、連接引線（3）和引線接點區域（4）。具有柔軟輕薄、生物兼容性好、對組織損傷輕微、卡夫圓筒直徑可調、尺寸精確可控、靈敏度高、可靠性高的特點。
【專利說明】一種植入式卡夫神經電極及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及微電子機械系統和植入式微電極【技術領域】，尤其涉及一種植入式卡夫神經電極及其制作方法。
【背景技術】
[0002]隨著工業和交通的迅速發展，我國的脊髓損傷病人逐年增多。脊髓損傷往往導致損傷節段以下的肢體出現嚴重的功能障礙，比如四肢癱瘓、尿失禁等。現有的醫療手段難以修復神經，并完全恢復患者的感覺和運動能力。近年來，通過植入肌肉神經電極進行功能性電刺激的研究受到人們的關注。功能性電刺激是通過手術植入神經肌肉電極對目標肌肉或神經進行直接地電刺激，從而改善和恢復患者的部分功能障礙。目前，此項技術的可行性已經在國外的一些臨床實驗中得以證明。
[0003]現有的植入式肌肉神經電極可大致分為以下幾種:1、置于肌肉表面或肌肉內的肌肉電極，這種電極可以刺激某塊特定的肌肉。每個電極只能刺激一塊特定的肌肉。另外，由于肌肉的不斷收縮會導致電極發生移動，甚至會出現金屬連線斷裂等問題；2、包裹于神經表面的卡夫神經電極，這種電極由電學絕緣的圓筒狀結構和分布于圓筒內壁的電極點構成，通過與神經表面緊密接觸的電極點能夠選擇性地刺激神經干表面的不同區域，從而實現控制相應肌肉的運動。3、神經束間電極，這種位于神經內部神經束之間的電極，相比于卡夫神經電極具有更好的選擇性，通過電極點能夠直接刺激不同的神經束并且刺激閾值也較低。缺點是植入手術過程中容易造成神經組織損壞。在上所述用于肌肉神經電極中，卡夫神經電極在刺激閾值、選擇性以及對組織損傷程度方面具有比較全面的優勢。
[0004]對現有的卡夫神經電極的文獻檢索發現，凱斯西儲大學的美國申請專利:植入式卡夫的制作方法和安裝方法，專利號US4602624，提出一種自卷曲的卡夫神經電極。該電極可以自然卷曲從而包裹住神經，形成一個封閉的圓筒狀空間，從而有利于提高電刺激的效率和采集信號的信噪比。制作方法是通過將一層拉伸的絕緣材料層與一層自然伸展的絕緣材料層鍵合在一起，由于應力失配而自然卷曲。由于絕緣材料比較柔軟，卡夫圓筒直徑可以隨著電極植入手術后神經的自然腫脹而變化，避免神經受到壓迫而缺血壞死。這種設計的主要缺點是難以在手術空間有限的情況下撐開卷曲的電極并放置在神經上。另外，該電極包裹并不牢固，特別是當連接引線受外力牽引作用時容易從神經上脫落。
[0005]美敦力公司的美國申請專利:卡夫電極，專利號US5344438，提出一種只包裹一部分神經的U型卡夫電極。這種電極有利于術后神經恢復和避免神經受壓迫而損傷。缺點是只包裹一部分神經，不能刺激和記錄整個神經，并且記錄神經信號會受到外界信號干擾。
[0006]綜上所述，現有的電極存在卡夫圓筒直徑固定，難以大規模制造，電極尺寸較大、對組織損傷較大等問題。

【發明內容】

[0007](一)要解決的技術問題[0008]本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種植入式的基于微加工工藝的卡夫神經電極及其制作方法，其具有柔軟輕薄、生物兼容性好、對組織損傷輕微、卡夫圓筒直徑可調、尺寸精確可控、靈敏度高、可靠性高的特點。
[0009](二)技術方案
[0010]為了解決上述技術問題，本發明提供了一種植入式卡夫神經電極，所述植入式卡夫神經電極，包括:基于微加工技術的帶有電極點I和自鎖結構的長條狀帶子2、連接引線3和引線接點區域4所述電極點I分布于所述長條狀帶子2中部靠近封閉環5附近；所述長條狀帶子2的一端為開口呈細長狀矩形的扁平封閉環5 ;所述扁平封閉環開口 11呈細長條狀，能使長條狀帶子2平整的從其中通過；所述長條狀帶子2另一端裝有一個輔助電極安裝的引導舌頭6 ;所述長條狀帶子2兩側有著連續的微突起物7。
[0011]優選地，所述長條狀帶子2由具有生物兼容性的聚合物薄膜材料制成。
[0012]優選地，所述自鎖結構包括所述封閉環5和所述微突起物7，當長條狀帶子2兩側的微突起物7通過封閉環5后，封閉環5卡住微突起物7 ;所述長條狀帶子2將被封閉環的自鎖結構單向鎖定，不能向回倒退，所述長條狀帶子2將構成圓筒狀結構；所述圓筒直徑通過繼續拉動帶子調節。
[0013]優選地，所述連接引線3將所述電極點I連接至所述引線接點區域4 ;每一個電極點I通過獨立的互連線9連接至引線接點10。[0014]優選地，所述長條狀帶子2尺寸參數為:長15mm、寬8mm、厚度15 μ m;所述封閉環5的尺寸參數為:開口長8mm、寬50 μ m ;所述微突起物7突出部分尺寸參數為:長IOOym ;所述電極點I尺寸參數為:大小300μπιΧ300μπι。
[0015]為了解決上述技術問題，本發明提供了一種制作如權I所述的植入式卡夫神經電極的方法，所述制作方法包括以下步驟:
[0016](I)在鍍有犧牲層的基片上通過聚合物薄膜材料淀積、光刻、蒸發、濺射和濕法腐蝕制作聚合物-金屬合金-聚合物結構的金屬電極層，包括電極點1、互連線9和引線接點10 ；
[0017](2)通過光刻、電鍍制作金屬機械支撐層，或通過聚合物薄膜材料生長、光刻和干法刻蝕制作聚合物機械支撐層，所述機械支撐層包括微突起物7和封閉環5 ；
[0018](3)制作用于刻蝕聚合物的掩膜，確定電極點I和引線接點10的位置和大小，確定封閉環開口 11的大小和位置，確定長條狀帶子2、連接引線3和引線接點區域I的輪廓；
[0019](4)通過干法刻蝕聚合物層直到暴露出所述犧牲層來暴露出電極點I和引線接點10 ;制作出封閉環開口 11，制作出長條狀帶子2、連接引線3和引線接點區域4的輪廓；
[0020](5)去除犧牲層，得到卡夫神經電極。
[0021]優選地，所述步驟(1)中的基片為硅片12 ;在所述硅片12上蒸發或濺射鋁膜制作鋁膜犧牲層；在所述鋁膜犧牲層上淀積聚合物作為隔離絕緣層；制作卡夫神經電極的電極點1、互連線9和引線接點10，并在其上淀積聚合物隔離絕緣層，形成聚合物-金屬合金-聚合物的電極層。
[0022]優選地，所述淀積聚合物作為隔離絕緣層為通過化學氣相淀積生長聚對二甲苯薄膜層14作為隔離絕緣層；所述卡夫神經電極的電極點1、互連線9和引線接點10的制作方法:蒸發或濺射金屬合金層并進行光刻，濕法腐蝕出電極點、互連線和引線接點圖形；或者先進行光刻而后濺射金屬合金層，采用剝離工藝制作出金屬電極圖形。
[0023]優選地，所述金屬機械支撐層的優選制作方法:通過濺射銅種子層、旋涂厚膠并光刻形成電鍍掩膜17，電鍍具有生物兼容性的金或其他金屬；所述聚合物機械支撐層的制作方法:通過聚合物薄膜層生長及用于刻蝕聚合物薄膜層的掩膜制作和干法刻蝕，來制作聚合物機械支撐層；所述聚合物機械支撐層為聚對二甲苯制成；所述刻蝕掩膜17的制作方法:采用旋涂正性光刻膠并光刻形成刻蝕掩膜，或通過物理汽相淀積、光刻、干法刻蝕和濕法腐蝕制作圖形化的鈦膜或鋁膜，形成刻蝕掩膜。
[0024]優選地，所述步驟(3)中，確定封閉環開口 11的大小和位置，所述大小和位置與所述步驟(2)中制作的封閉環的開口相同；所述步驟(3)中，確定長條狀帶子2的輪廓，所述輪廓包括所述步驟(2)中制作的微突起物7的輪廓。
[0025](三)有益效果
[0026]與現有技術相比，本發明提供的植入式卡夫神經電極及其制作方法具有以下優
點
[0027](I)采用自鎖結構可以在植入過程中調節卡夫圓筒直徑，來適應不同的神經直徑;
[0028](2)用聚合物薄膜材料制作卡夫神經電極的隔離絕緣層，具有輕薄和柔軟的特點，可以減輕對神經的物理損傷，更適合長期植入；
[0029](3)采用電鍍技術或聚合物薄膜工藝制作出生物兼容性好的高韌性的機械支撐層，能增強自鎖結構的機械強度，降低工藝成本；
[0030](4)充分利用微電子機械系統加工工藝，自鎖結構、電極點、互連線和引線接點的形狀、尺寸和位置可精確控制，制作出的卡夫神經電極用于不同的神經研究領域，比如，大尺寸卡夫神經電極用于功能性電刺激，進行堵塞式睡眠呼吸暫停手術治療；而小尺寸卡夫神經電極進行昆蟲神經生物研究，為制作昆蟲飛行器奠定基礎；
[0031](5)聚對二甲苯具有透明光滑、化學穩定性、生物兼容性和較強機械性能，是制作生物微電極最理想的絕緣材料。此外，一體化制造出基于聚對二甲苯的柔性連接引線，有利于卡夫神經電極與外部電路的電學連接。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0033]圖1是本發明一種植入式卡夫神經電極的結構示意圖；
[0034]圖2是本發明一種植入式卡夫神經電極的制作方法的工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0035]下面結合說明書附圖和實施例，對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。以下實施例僅用于說明本發明，但不能用來限制本發明的范圍。
[0036]如圖1所示，本發明一種植入式卡夫神經電極，包括帶有電極點I的長條狀帶子2，連接引線3和引線接點區域4。
[0037]所述長條狀帶子2 —端呈扁平封閉的環狀，所述封閉環5的開口 11呈細長狀矩形，開口 11的長度等于帶子2的寬度，開口 11的寬度略大于帶子2的厚度。所述長條狀帶子2另一端帶有一個輔助電極安裝的引導舌頭6。所述長條狀帶子兩側有著連續呈鋸齒狀的微突起物7。電極安裝時，先把位于帶子一端的引導舌頭6穿過位于帶子另一端的封閉環5，然后從封閉環的另一側拉動帶子頭部8，一旦帶子兩側的微突起物7通過封閉環5后，封閉環5會卡住微突起物7，長條狀帶子2將不能往回倒退，長條狀帶子2將構成圓筒狀結構。圓筒直徑通過繼續拉動帶子來進一步調節。
[0038]所述電極點I分布于所述長條狀帶子2中部靠近所述封閉環5附近；所述連接引線3將所述電極點連接至所述引線接點區域4 ;每個電極點I通過獨立的互連線9連接至引線接點10。
[0039]所述帶子2由具有生物兼容性的聚對二甲苯制成；所述電極點I由物理汽相淀積生長的鈦、金、鉬等金屬薄膜材料制成。
[0040]其中，所述長條狀帶子2長為15mm,寬為8mm,厚度為10~20 μ m。
[0041]其中封閉環5的開口長為8mm，寬為20~50 μ m，微突起物7突出部分長為100 μ m，同時相鄰微突起物7的間距為628 μ m。
[0042]其中，所述連接引線3長為25mm，同時寬為2mm，厚為10~20 μ m。
[0043]其中，所述金屬合金互連線4寬可以為40 μ m，同時相鄰互連線4的間距為60 μ m,所述電極點大小為300μπιΧ300μπι。
[0044]如圖2所示，本發明所述的植入式卡夫神經電極的制作方法，包括以下步驟:
[0045]1、在鍍有鋁膜犧牲層的硅片上通過聚對二甲苯淀積、光刻、蒸發、濺射和濕法腐蝕制作聚對二甲苯-金屬合金-聚對二甲苯結構的金屬電極層，包括電極點、互連線和引線接點。
[0046]本步驟可采用下述方法實現。
[0047](1)在硅片12上蒸發或濺射鋁膜13制作犧牲層，并在所述犧牲層上淀積第一層聚對二甲苯隔離絕緣層14，其中，鋁膜13厚度可以為約I μ m，第一層聚對二甲苯隔離絕緣層14厚度可以約為8 μ m，如圖2 (a);
[0048](2)制作卡夫神經電極的電極點1、互連線9和引線接點10，并在其上淀積第二層聚對二甲苯隔離絕緣層15，形成聚對二甲苯-金屬合金-聚對二甲苯的電極層，其中，第二層聚對二甲苯隔離絕緣層15厚度可以約為4μ m，如圖2 (b)。
[0049]2、通過光刻、電鍍制作金屬機械支撐層，所述金屬機械支撐層包括微突起物7和封閉環5。所述電鍍通過濺射銅種子層、旋涂厚膠并光刻形成電鍍掩膜，來電鍍金。制作微突起物7和封閉環5之后，淀積第三層聚對二甲苯隔離絕緣層16，其中，所述微突起物7和封閉環5的厚度可以為約12 μ m，所述第三層聚對二甲苯隔離絕緣層16的淀積厚度可以為約 3μm，如圖 2 (C)。
[0050]3、通過旋涂、光刻制作用于刻蝕聚對二甲苯的掩膜17，確定電極點I和引線接點10的暴露面的位置和大小，確定封閉環5的開口 11的大小和位置，確定長條狀帶子2、連接引線3和引線接點區域4的輪廓，如圖2 (d)。
[0051]4、通過干法刻蝕聚對二甲苯層直到暴露出所述鋁膜13犧牲層，來暴露出電極點I和引線接點10，制作出封閉環開口 11，制作出長條狀帶子2、連接引線3和引線接點區域4的輪廓，如圖2 (e)。
[0052]5、濕法腐蝕鋁膜犧牲層13，得到卡夫神經電極，如圖2 (f)。[0053]以上實施方式僅用于說明本發明，而非對本發明的限制。盡管參照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行各種組合、修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當中。
【權利要求】
1.一種植入式卡夫神經電極，其特征為，所述植入式卡夫神經電極，包括:基于微加工技術的帶有電極點(I)和自鎖結構的長條狀帶子(2)、連接引線(3)和引線接點區域(4);所述電極點(I)分布于所述長條狀帶子(2 )中部靠近封閉環(5 )附近；所述長條狀帶子(2 )的一端為開口呈細長狀矩形的扁平封閉環(5);所述扁平封閉環開口(11)呈細長條狀，能使長條狀帶子(2)平整的從其中通過；所述長條狀帶子(2)另一端裝有一個輔助電極安裝的引導舌頭(6);所述長條狀帶子(2)兩側有著連續的微突起物(J)。
2.根據權利要求1所述一種植入式卡夫神經電極，其特征為，所述長條狀帶子(2)由具有生物兼容性的聚合物薄膜材料制成。
3.根據權利要求1所述一種植入式卡夫神經電極，其特征為，所述自鎖結構包括所述封閉環(5)和所述微突起物(7)，當長條狀帶子(2)兩側的微突起物(7)通過封閉環(5)后，封閉環(5)卡住微突起物(7);所述長條狀帶子(2)將被封閉環的自鎖結構單向鎖定，不能向回倒退，所述長條狀帶子(2)將構成圓筒狀結構；所述圓筒直徑通過繼續拉動帶子調節。
4.根據權利要求1所述一種植入式卡夫神經電極，其特征為，所述連接引線(3)將所述電極點(I)連接至所述引線接點區域(4);每一個電極點(I)通過獨立的互連線(9)連接至引線接點(10)。
5.根據權利要求1一 4項任一項所述一種植入式卡夫神經電極，其特征為，所述長條狀帶子(2)尺寸參數優選為:長15mm、寬8mm、厚度15 μ m ;所述封閉環(5)的尺寸參數優選為:開口長8mm、寬50 μ m ;所述微突起物(7)突出部分尺寸參數優選為:長IOOym ;所述電極點(I)尺寸參數優選為:大小300μπιΧ300μπι。
6.一種制作如權I所述的植入式卡夫神經電極的方法，所述制作方法包括以下步驟: (1)在鍍有犧牲層的基片上通過聚合物`薄膜材料淀積、光刻、蒸發、濺射和濕法腐蝕制作聚合物-金屬合金-聚合物結構的金屬電極層，包括電極點(I)、互連線(9)和引線接點(10)； (2)通過光刻、電鍍制作金屬機械支撐層，或通過聚合物薄膜材料生長、光刻和干法刻蝕制作聚合物機械支撐層，所述機械支撐層包括微突起物(7)和封閉環(5)； (3)制作用于刻蝕聚合物的掩膜，確定電極點(I)和引線接點(10)的位置和大小，確定封閉環開口(11)的大小和位置，確定長條狀帶子(2)、連接引線(3)和引線接點區域(I)的輪廓； (4)通過干法刻蝕聚合物層直到暴露出所述犧牲層來暴露出電極點(I)和引線接點(10);制作出封閉環開口(11)，制作出長條狀帶子(2)、連接引線(3)和引線接點區域(4)的輪廓； (5)去除犧牲層，得到卡夫神經電極。
7.根據權利要求6所述一種植入式卡夫神經電極的制作方法，其特征為，所述步驟(1)中的基片為硅片(12);在所述硅片(12)上蒸發或濺射鋁膜制作鋁膜犧牲層；在所述鋁膜犧牲層上淀積聚合物作為隔離絕緣層；制作卡夫神經電極的電極點(I)、互連線(9)和引線接點(10)，并在其上淀積聚合物隔離絕緣層，形成聚合物-金屬合金-聚合物的電極層。
8.根據權利要求7所述一種植入式卡夫神經電極的制作方法，其特征為，所述淀積聚合物作為隔離絕緣層為通過化學氣相淀積生長聚對二甲苯薄膜層(14)作為隔離絕緣層；所述卡夫神經電極的電極點(I)、互連線(9)和引線接點(10)的制作方法:蒸發或濺射金屬合金層并進行光刻，濕法腐蝕出電極點、互連線和引線接點圖形；或者先進行光刻而后濺射金屬合金層，采用剝離工藝制作出金屬電極圖形。
9.根據權利要求6所述一種植入式卡夫神經電極的制作方法，其特征為，所述金屬機械支撐層的制作方法:通過濺射銅種子層、旋涂厚膠并光刻形成電鍍掩膜(17)，電鍍具有生物兼容性的金或其他金屬；所述聚合物機械支撐層的優選制作方法:通過聚合物薄膜層生長及用于刻蝕聚合物薄膜層的掩膜制作和干法刻蝕，來制作聚合物機械支撐層；所述聚合物機械支撐層為聚對二甲苯制成；所述刻蝕掩膜(17)的制作方法:采用旋涂正性光刻膠并光刻形成刻蝕掩膜，或通過物理汽相淀積、光刻、干法刻蝕和濕法腐蝕制作圖形化的鈦膜或鋁膜，形成刻蝕掩膜。
10.根據權利要求6所述一種植入式卡夫神經電極的制作方法，其特征為，所述步驟(3)中，確定封閉環開口(11)的大小和位置，所述大小和位置與所述步驟(2)中制作的封閉環的開口相同；所述步驟(3 )中，確定長條狀帶子(2 )的輪廓，所述輪廓包括所述步驟(2 )中制作的微突起物(7)的輪 廓。
【文檔編號】A61N1/05GK103736204SQ201410024820
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月20日 優先權日:2014年1月20日
【發明者】李志宏, 余懷強, 熊文潔, 張洪澤, 王瑋 申請人:北京大學