專利名稱：一種植入式生物電極及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
.本發(fā)明屬于微制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種適于植入人體的生物 電極及其生物電極的制造方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中治療比較嚴(yán)重的神經(jīng)性疾病，如帕金森綜合癥、視神 經(jīng)障礙、聽(tīng)力神經(jīng)障礙、癱瘓和嚴(yán)重的癲癇癥等等，常采用的最有效 的方式是通過(guò)外科手術(shù)在患者腦深部靶點(diǎn)位置植入電極，利用刺激器 電池給電極供電，對(duì)患病部位進(jìn)行長(zhǎng)期刺激治療。治療成功的關(guān)鍵首
先是術(shù)中靶點(diǎn)的位置是否準(zhǔn)確。在手術(shù)前，可根據(jù)解剖關(guān)系經(jīng)CT掃 描定出手術(shù)耙點(diǎn)的具體位置。但是由于腦深部靶點(diǎn)大小、形狀、方向 多變，且存在個(gè)體及生理差異，依靠CT掃描定位的靶點(diǎn)準(zhǔn)確性往往 有一定偏差；而在腦組織中用電極記錄細(xì)胞的電生理信號(hào)可以對(duì)靶點(diǎn) 位置進(jìn)行驗(yàn)證和糾正，因此在手術(shù)過(guò)程中根據(jù)電極的記錄結(jié)果來(lái)確定 耙點(diǎn)就比較重要?，F(xiàn)臨床上所用植入人體的刺激電極為毫米環(huán)狀電 極，如美敦力公司所生產(chǎn)的系列產(chǎn)品，共有4個(gè)刺激電極，其直徑為 1.26毫米，每個(gè)電極長(zhǎng)為1.5毫米左右，由于其尺寸較大，在植入 人體時(shí)易對(duì)組織造成較大損害；功耗較大，刺激器電池的使用壽命相 對(duì)較短，頻繁的更換電池增加了患者的痛苦；成本昂貴，僅單側(cè)植入 費(fèi)用約為10萬(wàn)人民幣左右；并且，該產(chǎn)品沒(méi)有記錄電極，植入電極 的定位只能靠CT的粗定位和專用的微記錄電極預(yù)先刺入電極的植入 通道來(lái)精確定位，在定位后拔出記錄電極，再植入刺激電極。這種方式可能會(huì)因?yàn)榇碳る姌O在進(jìn)行植入時(shí)位置發(fā)生偏差而導(dǎo)致治療效果 下降。
微電極記錄到的放電細(xì)胞的多少與其電極的尺寸密切相關(guān)。尺寸
較小的電極，阻抗較大OIMQ)，容易記錄到單細(xì)胞的放電，甚至細(xì) 胞內(nèi)膜電位；尺寸較大的電極，阻抗較小(〈10KQ)時(shí)記錄到的是多 細(xì)胞放電的場(chǎng)電位。在腦組織中，腦神經(jīng)元細(xì)胞尺寸不大于100微米， 手術(shù)中使用的微電極，當(dāng)電極尺寸小于20微米時(shí)，記錄到的是為單 細(xì)胞放電。每個(gè)細(xì)胞的放電特性(動(dòng)作電位的大小和形狀)不同，根 據(jù)微電極記錄到的單細(xì)胞放電特性，就可以計(jì)算出電極的刺激點(diǎn)3相 對(duì)于靶點(diǎn)的精確位置。
在臨床研究中，也有用刺激電極作為記錄電極對(duì)細(xì)胞放電信號(hào)進(jìn) 行記錄，但由于刺激電極尺寸比較大，其阻抗較小，記錄的為場(chǎng)(多 細(xì)胞)放電信號(hào)而并非單個(gè)細(xì)胞的放電信號(hào)，從而導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確確定 電極相對(duì)于細(xì)lk核團(tuán)的位置、無(wú)法準(zhǔn)確定位。隨著硅微加工技術(shù)MEMS 的發(fā)展，制造微電極和尺寸更小電極成為可能。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者提出 了不同的微電極結(jié)構(gòu)及其制造方法。這些電極中也有同時(shí)具有剌激和 記錄的功能的結(jié)構(gòu)，但是它們的位置位于電極的表面中間，只適合于 植入后電極周圍細(xì)胞電信號(hào)的記錄。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有的微電極所存在尺寸較大阻抗較小的缺陷或不足，本發(fā) 明的目的在于，，提供一種具有刺激和記錄功能的尺寸較小阻抗較大的 植入式生物電極。該生物電極可以分別提供刺激信號(hào)和記錄細(xì)胞電信 號(hào)，記錄點(diǎn)位于電極的頭部，其尺寸范圍為5 20微米，植入時(shí)隨著 電極在腦組織內(nèi)的推進(jìn)，記錄點(diǎn)首先接觸到腦組織細(xì)胞，記錄單個(gè)細(xì)
5胞的放電特性。根據(jù)被記錄的單個(gè)細(xì)胞的放電特性，可以確定該細(xì)胞 為什么位置的細(xì)胞，由此可計(jì)算出電極相對(duì)于靶點(diǎn)的位置，從而進(jìn)行 精確的定位。所提供的生物電極，可以為神經(jīng)性疾病導(dǎo)致的行為障礙 的康復(fù)治療提供精確的定位植入和更好的治療效果，可作為長(zhǎng)期植入 人體的刺激/記錄電極。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種植入式生物電極，包括電極刺激點(diǎn)、記錄點(diǎn)和連接端金屬環(huán)， 電極刺激點(diǎn)設(shè)置在Si基底或玻璃基底上；由金屬微導(dǎo)線直接封裝形 成電極記錄點(diǎn)；金屬環(huán)、剌激點(diǎn)、電極記錄點(diǎn)由金屬微導(dǎo)線連接；生 物電極的工作端，由非降解高分子材料封裝成橢圓柱狀的絕緣層；在 生物電極的連接端，由非降解高分子材料封裝成圓柱狀，圓柱狀與橢 圓柱狀之間的過(guò)渡面在金屬微導(dǎo)線和Si基底或玻璃基底之間的連接 處；呈陣列分布的刺激點(diǎn)分布于生物電極工作端橢圓柱面的上下兩側(cè) 面；記錄點(diǎn)設(shè)置于生物電極工作端的頭部并伸出于頭部。
所述的金屬微導(dǎo)線由金屬微導(dǎo)線鉑銥合金或者不銹鋼構(gòu)成，為中 空的螺旋形結(jié)構(gòu)；其表面包裹一層絕緣層，其材料為高分子材料如聚 氨酯、特氟龍或硅橡膠。
所述的刺激點(diǎn)由金屬薄膜鉑或者鉑銥合金構(gòu)成，所述刺激點(diǎn)的表 面低于絕緣層。
所述的剌激點(diǎn)通過(guò)金屬微導(dǎo)線、電極連接端的金屬環(huán)和外電路的 連接實(shí)現(xiàn)刺激點(diǎn)和外電路的信號(hào)導(dǎo)通。
所述的絕緣層由非降解高分子材料聚氨酯、特氟龍或者硅橡膠構(gòu)成。
所述的金屬環(huán)至少為一件。所述的刺激點(diǎn)至少為一處。一種植入式生物電極的制備工藝，包括以下步驟-
1) 在Si基底或玻璃基底上用Si微加工技術(shù)MEMS加工具有金 屬薄膜結(jié)構(gòu)的刺激點(diǎn)和電路引線；
2) 在心軸上將微導(dǎo)線繞制成管狀的螺旋形金屬微導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，多 股導(dǎo)線相互絕緣；
3) 用超聲壓焊Bonding或者電鍍方法將金屬微導(dǎo)線的一端和 Si基底或玻璃基底上剌激點(diǎn)的電路引線連接，將導(dǎo)線與心軸一起放 入到封裝模具中，將用于形成記錄點(diǎn)的微導(dǎo)線拉直固定在刺激點(diǎn)的基 底兩側(cè)，用熱注塑或者常溫注塑的方法封裝形成生物電極的工作端；
4) 在金屬微導(dǎo)線的另一端依次套上連接端金屬環(huán)，將與其連接 的微導(dǎo)線拉到金屬環(huán)附近，并與將要連接的金屬環(huán)用焊接的方法進(jìn)行 連接，然后將其放入相應(yīng)的模具中，用熱注塑或者常溫注塑的方法進(jìn) 行封裝；
5) 修整，去澆口，去心軸，將封裝后用于形成記錄點(diǎn)的露出生 物電極頭部的2根微導(dǎo)線剪斷，形成2個(gè)記錄點(diǎn)，完成植入式生物電 極的制造。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其帶來(lái)'的技術(shù)特點(diǎn)是利用硅微加工技 術(shù)MEMS制備的Si基底或玻璃基底上的剌激點(diǎn)電極，并利用封裝技術(shù) 在生物電極的頭部形成記錄點(diǎn)，整體尺寸較小，盡可能避免在外科植 入時(shí)對(duì)組織的損傷；生產(chǎn)成本低，大大降低了外科手術(shù)植入的費(fèi)用， 有利于提高電極的治療效果和實(shí)現(xiàn)電極的長(zhǎng)期性植入使用。


圖1為本發(fā)明植入生物電極的整體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明植入式生物電極的立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明植入式生物電極的工作端放大示意圖； 圖4為本發(fā)明植入式生物電極的工作端沿A-A方向的剖面圖； 圖中的標(biāo)號(hào)分別表示植入式生物電極的連接端金屬環(huán)l;植入 式電極的金屬微導(dǎo)線2;植入式電極工作端的刺激點(diǎn)3;植入式電極 工作端的記錄點(diǎn)4;電極的絕緣層5;刺激點(diǎn)3的Si基底或玻璃基底6。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
如圖1、圖2、圖3、圖4所示，本發(fā)明的植入式生物電極，分 為連接端與工作端，連接段包括金屬環(huán)l，工作端包括剌激點(diǎn)3和形 成記錄點(diǎn)4。連接端的金屬環(huán)l,用于和外部脈沖器進(jìn)行連接，其數(shù) 量根據(jù)刺激與記錄點(diǎn)4的數(shù)量而定，本實(shí)施例中采用6個(gè)，其材料選 擇生物相容性、導(dǎo)電性、耐腐蝕性好和強(qiáng)度較高的材料，如鉑銥合金； 金屬微導(dǎo)線2，本實(shí)施例中使用6根，其中4根用于和Si基底或玻 璃基底上的刺激點(diǎn)3相連接，剩余的2根用于形成記錄點(diǎn)4;刺激點(diǎn) 3和記錄點(diǎn)4的數(shù)目可以根據(jù)被植入靶點(diǎn)的具體要求而定，工作端的 刺激點(diǎn)3，由Si基底或玻璃基底6上的金屬薄膜構(gòu)成，其為雙面結(jié) 構(gòu)，本實(shí)施例采用8個(gè)刺激點(diǎn)3 (上下兩惻各4個(gè))，2個(gè)記錄點(diǎn)4， 記錄點(diǎn)4位于生物電極的工作端頭部頂端的兩側(cè)，由直徑為微米級(jí)的 金屬微導(dǎo)線2直接形成，由于所記錄的信號(hào)為單個(gè)細(xì)胞的信號(hào)，因此 其尺寸范圍為5 20微米，其材料選擇為生物相容性、導(dǎo)電性、耐腐 蝕性好的金屬材料，如鉑銥合金；為保證植入式電極的整體柔韌性， 金屬微導(dǎo)線2被繞制成中空的螺旋形，金屬微導(dǎo)線2和連接端金屬環(huán) 1的連接可通過(guò)焊接而成，金屬材料選擇生物相容性、導(dǎo)電性、耐腐
8蝕性好的材料，如鉑銥合金或不銹鋼；金屬微導(dǎo)線2和電極刺激點(diǎn)3 之間的導(dǎo)通可以通過(guò)金屬微導(dǎo)線2和剌激點(diǎn)3的電路引線用焊接、超 聲壓焊Bonding或者電鍍等方法進(jìn)行。為保證繞制的金屬微導(dǎo)線2的 多股微導(dǎo)線之間的絕緣性，金屬微導(dǎo)線的表面包裹一層絕緣層，絕緣 層為生物相容性好的高分子材料如聚氨酯、特氟龍或硅橡膠，絕緣層 5，用于封裝除剌激點(diǎn)3、記錄點(diǎn)4、連接端金屬環(huán)外的所有表面，其 材料的選擇為具有好的生物相容性、強(qiáng)度和韌性的高分子非降解高分 子材料，如醫(yī)用級(jí)別的聚氨酯、硅橡膠和特氟龍等。 本實(shí)施例的具體實(shí)施過(guò)程如下
1) 在Si基底或玻璃基底6上用Si微加工技術(shù)MEMS加工具有金 屬薄膜結(jié)構(gòu)的刺激點(diǎn)3和電路引線；
2) 在一根心軸上纏繞6根5-20微米的帶絕緣層的金屬微導(dǎo)線形 成螺旋形的金屬微導(dǎo)線2，繞好線后，兩端露出預(yù)留長(zhǎng)度的引線分別 用于和連接端金屬環(huán)1、工作端剌激點(diǎn)3的連接及記錄點(diǎn)4的制作；
3) 將繞好的螺旋金屬微導(dǎo)線2的一端其中的4根與工作端刺激 點(diǎn)3的電路引線部位用焊接、超聲壓焊Bonding或者電鍍等方法進(jìn)行 連接，然后將其放入封裝模具中，將用于做記錄點(diǎn)4的2根金屬微導(dǎo) 線2拉直固定在刺激點(diǎn)3的Si基底或玻璃基底6兩側(cè)，然后用熱注 塑或者常溫注塑的方法封裝形成生物電極的工作端。生物電極工作端 封裝的形狀為橢圓柱狀，刺激點(diǎn)3分布于生物電極工作端橢圓柱面的 上下兩側(cè)，呈陣列分布，所述刺激點(diǎn)3的表面低于絕緣層5。
4) 在螺旋形金屬微導(dǎo)線2的另一端依次套上6件連接端的金屬 環(huán)1，將與其連接的6根金屬微導(dǎo)線2拉出到將要連接的金屬環(huán)1附 近，并與將要連接的金屬環(huán)1用焊接的方法進(jìn)行連接后，將其放入相應(yīng)的模具中，用熱注塑或者常溫注塑的方法、用絕緣層5進(jìn)行封裝， 封裝形狀為圓柱狀。
5)修整，去澆口，去心軸，將封裝后用于形成記錄點(diǎn)4的露出 生物電極頭部的2根金屬微導(dǎo)線剪斷，形成2個(gè)記錄點(diǎn)4，完成植入 式生物電極的制造。
本發(fā)明的生物電極在使用時(shí)，生物電極的工作端被植入腦內(nèi)的耙 點(diǎn)位置，電極的連接端被固定在耳朵后面的皮下，與植入胸部皮下的 脈沖發(fā)生器的電路引出線相連接，脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的電信號(hào)通過(guò)植入 電極的連接端被直接送到植入生物電極的工作端。
權(quán)利要求
1、一種植入式生物電極，包括電極刺激點(diǎn)(3)、記錄點(diǎn)(4)和連接端金屬環(huán)(1)，其特征在于電極刺激點(diǎn)(3)設(shè)置在Si基底或玻璃基底(6)上；由金屬微導(dǎo)線直接封裝形成電極記錄點(diǎn)(4)；金屬環(huán)(1)、刺激點(diǎn)(3)、電極記錄點(diǎn)(4)由金屬微導(dǎo)線(2)連接；生物電極的工作端由非降解高分子材料封裝成橢圓柱狀的絕緣層(5)；在生物電極的連接端，由非降解高分子材料封裝成圓柱狀，圓柱狀與橢圓柱狀之間的過(guò)渡面在金屬微導(dǎo)線(2)和Si基底或玻璃基底(6)之間的連接處；呈陣列分布的刺激點(diǎn)(3)分布于生物電極工作端橢圓柱面的上下兩側(cè)面；記錄點(diǎn)(4)設(shè)置于生物電極工作端的頭部并伸出于頭部。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的植入式生物電極，其特征在于，所述 的金屬微導(dǎo)線(2)由金屬微導(dǎo)線鉑銥合金或者不銹鋼構(gòu)成，為中空 的螺旋形結(jié)構(gòu)；其表面包裹一層絕緣層，其材料為高分子材料如聚氨 酯、特氟龍或硅橡膠。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的植入式生物電極，其特征在于，所述 的刺激點(diǎn)(3)由金屬薄膜鉑或者鉑銥合金構(gòu)成，所述刺激點(diǎn)(3)的 表面低于絕緣層(5)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的植入式生物電極，其特征在于，所述 的刺激點(diǎn)(3)通過(guò)金屬微導(dǎo)線(2)、電極連接端的金屬環(huán)(1)和外 電路的連接實(shí)現(xiàn)刺激點(diǎn)(3)和外電路的信號(hào)導(dǎo)通。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的植入式生物電極，其特征在于，所述 的絕緣層(5)由非降解高分子材料聚氨酯、特氟龍或者硅橡膠構(gòu)成。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的植入式生物電極，其特征在于，所述的金屬環(huán)a)至少為一件。
7、 根據(jù)權(quán)利要求i所述的植入式生物電極，其特征在于，所述的刺激點(diǎn)(3)至少為一處。
8、 一種植入式生物電極的制備工藝，其特征在于，包括以下步驟1)在Si基底或玻璃基底(6)上用Si微加工技術(shù)MEMS加工具 有金屬薄膜結(jié)構(gòu)的刺激點(diǎn)(3)和電路引線；'2)在心軸上將微導(dǎo)線繞制成管狀的螺旋形金屬微導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，多 股導(dǎo)線相互絕緣；3) 用超聲壓焊Bonding或者電鍍方法將金屬微導(dǎo)線(2)的一 端和Si基底或玻璃基底(6)上刺激點(diǎn)(3)的電路引線連接，將導(dǎo) 線與心軸一起放入到封裝模具中，將用于形成記錄點(diǎn)4的微導(dǎo)線拉直 固定在刺激點(diǎn)(3)的基底兩側(cè)，用熱注塑或者常溫注塑的方法封裝 形成生物電極的工作端；4) 在金屬微導(dǎo)線(2)的另一端依次套上連接端金屬環(huán)(1)， 將與其連接的微導(dǎo)線拉到金屬環(huán)附近，并與將要連接的金屬環(huán)用焊接 的方法進(jìn)行連接，然后將其放入相應(yīng)的模具中，用熱注塑或者常溫注 塑的方法進(jìn)行封裝；5) 修整，去澆口，去心軸，將封裝后用于形成記錄點(diǎn)(4)的 露出生物電極頭部的2根微導(dǎo)線剪斷，形成2個(gè)記錄點(diǎn)(4)，完成植 入式生物電極的制造。
全文摘要
本發(fā)明屬于微制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種植入式生物電極及其生物電極的制造方法。一種植入式生物電極，包括設(shè)置在Si基底或玻璃基底上的電極刺激點(diǎn)、位于工作端頭部的電極記錄點(diǎn)、位于電極連接端金屬環(huán)、用于連接刺激點(diǎn)和端部金屬環(huán)和形成記錄點(diǎn)的金屬微導(dǎo)線；電極的工作端，由生物相容性好的非降解高分子材料封裝成橢圓柱狀；電極的連接端，封裝成圓柱狀；刺激點(diǎn)分布于生物電極工作端橢圓柱面的上下兩側(cè)；記錄點(diǎn)位于生物電極工作端的頭部。一種植入式生物電極的制備工藝，包括以下步驟1)在Si基底或玻璃基底上制作刺激點(diǎn)；2)將多股微導(dǎo)線在心軸上繞制成螺旋形微導(dǎo)線；3)連接微導(dǎo)線，放入封裝模具，形成生物電極的工作端；4)依次套上連接端金屬環(huán)，放入模具封裝；5)修整，形成2個(gè)記錄點(diǎn)，完成微生物電極。
文檔編號(hào)A61N1/05GK101502699SQ200910021450
公開(kāi)日2009年8月12日 申請(qǐng)日期2009年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月9日
發(fā)明者丁玉成, 劉亞雄, 盧秉恒, 杜如坤, 祁夏萍, 歌 秦 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)