大鼠腿部肌肉电刺激和肌电信号采集柔性器件及制备方法

摘要

本发明提供一种大鼠腿部肌肉电刺激和肌电信号采集柔性器件及制备方法，所述柔性器设有多条独立的指状电极，每条指状电极之间存在一定间隙；每条指状电极上按照一定间距分布有多个刺激电极，每个刺激电极周围分布有多个地电极，用于有效控制电流扩散范围、准确控制微电刺激区域；整个柔性器件的中心对称线上分布有多个记录电极，临近记录电极分布有参比电极；所述柔性器件同时集成有微电刺激接口和肌电信号采集接口，能够同步施加微电刺激并记录不同位置的肌电信号。本发明将功能性电刺激和肌电信号采集功能集成，优化的器件结构和聚合物材料柔性保证了贴附时具有良好保形性，以及刺激电流和电生理信号有效传递。

说明书

技术领域

本发明涉及一种生物医学工程技术领域的微电极，具体地，涉及一种用于大鼠腿部肌肉电刺激和肌电信号采集的柔性器件及其制备方法。

背景技术

瘫痪是随意运动功能的减低或丧失，是神经系统常见的症状。瘫痪是上、下运动神经元、锥体束及周围神经病变所致，较大面积的肌肉瘫痪会严重影响病人的生活质量，对家庭和社会造成沉重负担。目前主要康复手段包括器械训练、药物辅助和中医针灸等传统方法，对于轻微短暂的肌肉瘫痪有一定恢复作用，而瘫痪康复的基础是建立在人的神经系统对肌肉支配回路的完整性之上。

近年来出现了一些新型的瘫痪康复技术，如基于可植入微系统的周围神经修复方法，这种方法主要基于组织学和细胞学，针对轻微神经损伤，对神经的重新连接有严格时效性，而对较为严重的损伤或瘫痪无能为力；基于假肢或外骨骼的瘫痪康复系统，这种方法绕开了瘫痪肌肉，利用人工机械结构代替瘫痪肌肉功能，能实现简单机械的肢体动作，无法实现精细动作，对于截肢或肌肉组织病变的病人帮助较大，但对于肌肉组织正常的瘫痪病人长期使用此手段会造成肌肉萎缩；基于电刺激的瘫痪康复可植入人工神经系统，针对肌肉组织功能正常的瘫痪病人，替代受损神经的功能，实现对肌肉和神经组织的电生理监控和电刺激，绕开受损神经直接使肌肉产生动作，有潜力使病人恢复生活自理能力。

随着神经电极的侵入性增加，风险也随之增大。得益于MEMS(Micro ElectroMechanical Systems)技术的快速发展，可植入人工神经系统尺寸持续减小，集成密度持续增加，减小了侵入性，有潜力适应复杂精细的神经和肌肉组织。按可植入人工神经电极的电刺激目标分类，主要分为中枢神经，外周神经和骨骼肌三种瘫痪康复可植入人工神经系统，这里主要对骨骼肌施加电刺激，通过检测正常肌肉的肌电信号，对瘫痪肌肉做出运动预测和反馈刺激。

经对现有技术的检索发现，Ethier C，Oby E R，Bauman M J等人在Nature，2012，485(7398)：368-371撰文：“Restoration of grasp following paralysis throughbrain-controlled stimulation of muscles”，他们研发了一种复杂的可植入人工神经系统，通过植入猴子大脑的微电极，从运动皮层的神经元记录信号，来直接预测需要瘫痪康复肌肉的动作意图，使用局部麻醉剂阻断臂丛神经后，他们利用预测的肌电信号形成电刺激的触发序列，直接电刺激肌肉，实现了较为复杂的动作，可以简单抓取球。限于肌肉电刺激使用的是丝电极，分辨率与集成度较低，因此手臂上肌肉产生的收缩不能实现较为复杂的动作。

Guo L,Guvanasen G S，Liu X等人在IEEE transactions on biomedicalcircuits and systems，2013，7(1)：1-10撰文：“A PDMS-based integrated stretchablemicroelectrode array(isMEA)for neural and muscular surface interfacing”，提出了一种基于PDMS柔性材料的可延展微电极阵列，厚度60微米，具有良好的保形性，通过对猫的左侧胫神经施加40Hz，100微秒，0.8V的方波电压，在对侧伸肌反射过程中测量了右肢内侧腓肠肌的肌电信号，这种柔性器件的不足之处在于使用了气密性不好的PDMS作为封装，覆盖范围较小，记录电极数目较少，且只能单独记录肌电信号。

康晓洋、刘景全、田鸿昌等人在Sensors&Actuators B Chemical，2016，225:267-278撰文：“Sputtered iridium oxide modified flexible parylene microelectrodesarray for electrical recording and stimulation of muscles”，提出了一种基于Parylene C聚合物材料的16个电极点位的柔性电极，通过在电极上修饰氧化铱，降低了信噪比，提高了刺激电流阈值。但是刺激电极和记录电极分离使用，电极相对位置不确定，且覆盖范围较小。

综上所述，目前报道的肌肉电刺激和肌电信号采集柔性器件大多是刺激和采集分离，且电刺激缺乏良好的空间分辨率，无法实现精确复杂的动作。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种大鼠腿部肌肉电刺激和肌电信号采集的柔性器件，在现有的电极结构和工艺上进行了改进创新，集成了刺激电极和记录电极，增加了电极的覆盖范围和贴附保形性，提高了电刺激的空间分辨率。

根据本发明的一方面，提供一种大鼠腿部肌肉电刺激和肌电信号采集的柔性器件，所述柔性器设有多条独立的指状电极，每条指状电极之间存在一定间隙；每条指状电极上按照一定间距分布有多个刺激电极，每个刺激电极周围分布有多个地电极，用于有效控制电流扩散范围、准确限制微电刺激区域；

整个柔性器件的中心对称线上分布有多个记录电极，临近记录电极分布有参比电极；

所述柔性器件同时集成有微电刺激接口和肌电信号采集接口，能够同步施加微电刺激并记录不同位置的肌电信号。

优选地，所述柔性器件外观呈蝴蝶状，且左、右两侧对称，左、右两侧各包括多条独立的指状电极，分为上部和下部；其中：

上部左、右两侧分别包含等宽的多条指状电极，所述指状电极的长度由上到下依次递减，用于包覆大鼠后肢大腿的后部和侧部；

下部的左、右两侧分别包含等宽的多条指状电极，所述指状电极的长度由上到下依次递减，用于包覆大鼠后肢小腿的后部和侧部。

优选地，相邻所述指状电极之间有间隙，每条指状电极的长度也不相同，相邻指状电极之间间隙大小和指状电极长度根据大鼠腿部实际尺寸确定，保证指状电极覆盖面积大的同时便于在贴附时控制相邻指状电极间的相对位置。

优选地，所述微电刺激接口与肌电信号采集接口结构相同，均包含多路，并通过通用的零插拔力(ZIF)插座接入电生理记录与电刺激系统；其中：

多路微电刺激接口中：一部分微电刺激接口用于连接刺激电极，用于微电刺激，剩余微电刺激接口连接围绕在刺激电极四周的所有地电极；

肌电信号采集接口中：一部分肌电信号采集接口用于连接记录电极，用于肌电采集，剩余肌电信号采集接口相连作为参比电极。

更优选地，用于微电刺激的所述微电刺激接口中：

上部单侧的多条指状电极每条上分布有多个刺激电极，每条指状电极最远端的若干刺激电极相连成为一路，向内依次类推；

下部单侧的多条指状电极每条上分布有多个刺激电极，每条指状电极最远端的若干刺激电极相连成为一路，向内依次类推。

优选地，用于肌电采集的所述肌电信号采集接口中，记录电极之间的间距相同，并从上到下均匀分布在所述柔性器件对称中线上，而且与每一条指状电极上同一行的刺激电极在同一高度位置处。

优选地，所述柔性器件包括三层聚合物绝缘层以及间隔设置在三层聚合物绝缘层之间的两层金属电路层，顶层聚合物绝缘层露出的第二层金属电路层包括：微电刺激接口、肌电信号采集接口、地电极、刺激电极、参比电极和记录电极，刺激电极和记录电极修饰氧化铱。

根据本发明的另一方面，提供一种大鼠腿部肌肉电刺激和肌电信号采集的柔性器件的制备方法，所述方法步骤如下：

第1步：用硅片作为基底，清洗硅片并烘烤；

第2步：在硅片上热蒸发或溅射一层金属，作为上层结构最后的释放层；

第3步：制作底层聚合物绝缘层，聚合物选用聚酰亚胺或聚对二甲苯；

第4步：溅射铬/铂金属层，在在铬/铂金属层上甩光刻胶，光刻图形化，通过离子束刻蚀或湿法刻蚀得到第一层金属电路层；

第5步：重复第3步，制作中间层聚合物绝缘层，并图形化露出：全部电极点即刺激电极、地电极、记录电极、参比电极点，微电刺激接口，肌电信号采集接口，以及第一层金属电路层和第二层金属电路层需要连接的地方；

第6步：重复第4步，得到第二层金属电路层；

第7步：重复第3步，制作顶层聚合物绝缘层，并图形化露出全部电极点、微电刺激接口，以及肌电信号采集接口；

第8步：图形化光刻胶，露出全部刺激电极和记录电极；

第9步：溅射钛/氧化铱层，在丙酮里浸泡和轻微超声，去除光刻胶；

第10步：腐蚀金属释放层，完成柔性器件释放。

优选地，第2步中，所述释放层的金属材料采用铝、铬/铜，释放层的厚度为200～1000nm。

第9步中：所述钛金属作为种子层，其厚度为20～50nm；

所述氧化铱采用反应溅射方式，其厚度为200～500nm，其中：在刺激电极修饰氧化铱，用于提高电荷存储能力，每一路可加载的刺激电流范围扩大到几百微安；在记录电极上修饰氧化铱，用于降低电化学阻抗、提升信噪比，保证所述柔性器件良好的信号拾取能力。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明所述柔性器件用于对大鼠腿部(下肢)骨骼肌进行微电刺激同时采集肌电信号，所述柔性器件根据实际成年大鼠腿部尺寸设计了多条相对独立的指状电极，同时采用柔性聚合物材料保证了贴附时的良好保形性，促进了刺激电流和电生理信号的有效传递；刺激电极周围环绕一圈地电极，可有效控制电流扩散范围，实现刺激区域的准确控制；刺激和采集的接口在同一器件上，且接口形式通用，便于多通道电生理工作站进行同步刺激和采集；刺激电极和记录电极上修饰氧化铱，有效降低电化学阻抗，提高了信噪比和电荷存储能力；此种柔性器件为运动瘫痪康复动物模型研究提供了一种新工具。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1(a)为本发明一实施例的柔性器件整体结构示意图；

图1(b)为图1所示的局部结构放大图；

图2(a)为本发明一实施例的指状电极局部放大图；

图2(b)为本发明一实施例的刺激电极和地电极布置方式说明图；

图3中(a)-(j)为本发明一实施例的制备工艺流程图；

图4为本发明一实施例的柔性器件三层聚合物绝缘层夹着双层金属电路层的三维结构爆炸图；

图5中(a)-(c)为本发明一实施例的柔性器件贴附于大鼠下肢骨骼肌的示意图和实验照片；

图中：微电刺激接口1，肌电信号采集接口2，地电极3(八个地电极3-1、3-2、3-3、3-4、3-5、3-6、3-7、3-8)，刺激电极4，参比电极5，记录电极6；

底层聚合物绝缘层11，第一层金属电路层12，中间层聚合物绝缘层13，第二层金属电路层14，顶层聚合物绝缘层15。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1(a)、图1(b)所示，一种用于大鼠腿部肌肉电刺激和肌电信号采集的柔性器件，所述柔性器设有多条独立的指状电极，每条指状电极之间存在一定间隙；每条指状电极上按照一定间距分布有多个刺激电极4，每个刺激电极周围分布有多个地电极3，用于有效控制电流扩散范围、准确控制微电刺激区域；

整个柔性器件的中心对称线上分布有多个记录电极6，临近记录电极6分布有参比电极5；

所述柔性器件同时集成有微电刺激接口1和肌电信号采集接口2，能够同步施加微电刺激并记录不同位置的肌电信号。

作为一优选实施方式，所述柔性器件外观呈蝴蝶状，且左、右两侧对称，左、右两侧各包括16条独立的指状电极，分为上部和下部；其中：

上部的左、右两侧分别包含等宽的10条指状电极，10条指状电极的长度由上到下依次递减，用于包覆大鼠后肢大腿的后部和侧部；

下部的左、右两侧分别包含等宽的6条指状电极，6条指状电极的长度由上到下依次递减，用于包覆大鼠后肢小腿的后部和侧部。

进一步的，相邻所述指状电极之间有间隙，每条指状电极的长度也不相同，相邻指状电极之间间隙大小和指状电极长度根据大鼠腿部实际尺寸确定，其中：相邻指状电极之间间隙控制在0.05～0.5mm，从而保证指状电极覆盖面积大的同时便于在贴附时控制相邻指状电极间的相对位置；如图1b所示，说明了多条独立的指状电极之间有0.1mm的间距。

进一步的，所述微电刺激接口与肌电信号采集接口结构相同，均包含20路，并通过通用的零插拔力插座接入电生理记录与电刺激系统；其中：

20路微电刺激接口中有16路连接刺激电极，用于微电刺激，剩余4路连接围绕在刺激电极四周的所有地电极；

20路肌电信号采集接口中有16路连接记录电极，用于肌电采集，剩余4路肌电信号采集接口相连作为参比电极。

进一步的，16路用于微电刺激的所述微电刺激接口中：

上部单侧的10条指状电极每条上分布有5个刺激电极点，每条指状电极最远端的10个刺激电极点相连成为1路，向内依次类推，上部双侧共10路；

下部单侧的6条指状电极每条上分布有3个刺激电极点，每条指状电极最远端的6个刺激电极点相连成为1路，向内依次类推，下部双侧共6路。

16路用于肌电采集的所述肌电信号采集接口中，16个记录电极间距相同，并从上到下均匀分布在所述柔性器件对称中线上，而且与每一条指状电极上同一行的刺激电极点在同一高度位置处。

每个所述刺激电极的周围分布有8个地电极，以保证刺激电流分布在8个地电极包围的矩形区域内，从而实现电流扩散范围和作用刺激区域的准确控制；并且能够调整电极间距，以扩大或缩小矩形区域面积，从而对不同区域的肌肉做出特异性刺激。

当然，上述的指状电极的数目、长度，以及其他电极和接口的数量，可以根据具体大鼠后肢模型和刺激及记录需要进行设计，并不限于上述描述。

基于上述器件结构，在一具体实施例中，微电刺激接口1和肌电信号采集接口2形状尺寸相同，并分别连接零插拔力插座，零插拔力插座再分别和电生理工作站的ZIF-Clip接口连接，ZIF-Clip接口通过一个接口夹持器ZCD-ROD32(Tucker-Davis Technologies,USA)保持整个柔性器件位置；刺激电极4共有136个，每个刺激电极4周围布置有8个地电极3；记录电极6共有16个，位于所述柔性器件对称中线上，且和每一条指状电极上同一行的刺激电极4在同一高度位置处；和记录电极6对应的参比电极5由三个较大的矩形电极构成，刺激电极4、记录电极6和地电极3的直径200微米，相邻指状电极的间距为0.1mm，相邻刺激电极4间距最小的1.5mm(下部最下端靠中间)，最大的5.5mm(上部最上端靠外侧)，记录电极6间距3mm。

如图2(a)、图2(b)所示，为一实施例的刺激电极和地电极布置方式说明图，8个地电极3-1～3-8环绕在单个刺激电极4四周，刺激电流集中在地电极3-1～3-8包围的区域内，保证了相邻刺激电极4相互之间不会发生重叠干扰，从而保证了刺激精度和空间分辨率。

如图3中(a)-(j)所示，为上述的用于大鼠腿部肌肉电刺激和肌电信号采集的柔性器件的制备方法，按以下步骤进行制备：

1)如图3中(a)所示，在500微米厚硅片上热蒸发一层1微米厚的铝作为释放层；

2)如图3中(b)所示，在铝释放层上旋涂一层光敏型聚酰亚胺Durimide7505，经过前烘、曝光、显影和固化，制作得到图形化的底层聚酰亚胺绝缘层，底层聚酰亚胺绝缘层的厚度为3微米；

3)如图3中(c)所示，在底层聚酰亚胺绝缘层上溅射一层铬和一层铂，铬和铂的厚度分别为30纳米和200纳米；

4)如图3中(d)所示，在3)的基础上旋涂5微米厚正性光刻胶AZ4620，经过前烘、光刻、显影和后烘，采用腐蚀液湿法刻蚀，控制刻蚀时间，得到图形化的第一层金属电路层；

5)如图3中(e)所示，在4)的基础上旋涂一层光敏型聚酰亚胺Durimide7505，经过前烘、曝光、显影和固化，制作得到图形化的中间层聚酰亚胺绝缘层，中间层聚酰亚胺绝缘层的厚度为3微米；

6)如图3中(f)所示，在5)的基础上溅射一层铬和一层铂，铬和铂的厚度分别为30纳米和200纳米；

7)如图3中(g)所示，在6)的基础上旋涂5微米厚正性光刻胶AZ4620，经过前烘、光刻、显影和后烘，采用腐蚀液湿法刻蚀，控制刻蚀时间，得到图形化的第二层金属电路层；

8)如图3中(h)所示，在7)的基础上旋涂一层光敏型聚酰亚胺Durimide7505，经过前烘、曝光、显影和固化，制作得到图形化的顶层聚酰亚胺绝缘层，顶层聚酰亚胺绝缘层的厚度为2微米；

9)如图3中(i)所示，在8)的基础上旋涂30微米厚正性光刻胶AZ4903，经过前烘、光刻、显影和后烘，露出全部刺激电极和记录电极；溅射一层钛和一层氧化铱，其中钛厚度50纳米、氧化铱厚度300纳米，在丙酮里浸泡和轻微超声，去除光刻胶，在刺激电极和记录电极上修饰上氧化铱；

10)如图3中(j)所示，在9)的基础上使用电化学腐蚀法，在NaCl溶液(该溶液浓度需要可以电解出足够的氯离子，和电解水产生的氢离子产生反应，生成足够的稀盐酸，能把铝释放层腐蚀掉)中将带有器件的整个硅片放到电解池阳极，电压取0.7～1.0V，腐蚀铝释放层到柔性器件自动脱落。

在另一实施例中，用于大鼠腿部肌肉电刺激和肌电信号采集的柔性器件制备方法，按以下步骤进行制备：

1)在玻璃基底上溅射一层200纳米厚的铬/铜金属作为释放层；

2)化学气相沉积(CVD)方法在释放层上沉积一层厚度为3微米的聚对二甲苯(Parylene C)薄膜，即为底层聚合物绝缘层11(如图4所示)；

3)旋涂3微米厚负性光刻胶NR7-3000PY，经过前烘、光刻、显影和后烘，完成图形化；

4)溅射一层钛和一层金，钛和金的厚度分别为30纳米和300纳米，通过lift off工艺得到图形化的第一层金属电路层12(如图4所示)；

5)沉积一层3微米厚的Parylene C薄膜；

6)旋涂20微米厚正性光刻胶AZ4903，光刻显影，未曝光的光刻胶作为反应离子刻蚀的掩膜，反应离子刻蚀(RIE)完成中间聚合物绝缘层13(如图4所示)的图形化，同时也刻蚀出底层聚合物绝缘层轮廓；

7)旋涂3微米厚负性光刻胶NR7-3000PY，经过前烘、光刻、显影和后烘，完成图形化；

8)溅射一层钛和一层金，钛和金的厚度分别为30纳米和300纳米，通过lift off工艺得到图形化的第二层金属电路层14(如图4所示)；

9)沉积一层3微米厚的Parylene C薄膜；

10)旋涂20微米厚正性光刻胶AZ4903，光刻显影，未曝光的光刻胶作为反应离子刻蚀的掩膜，反应离子刻蚀(RIE)完成顶层聚合物绝缘层15(如图4所示)的图形化；

11)旋涂30微米厚正性光刻胶AZ4903，经过前烘、光刻、显影和后烘，露出全部刺激电极和记录电极，溅射一层钛和一层氧化铱，钛厚度50纳米，氧化铱厚度300纳米，在丙酮里浸泡和轻微超声，去除光刻胶，在刺激电极和记录电极上修饰上氧化铱；

12)用铬/铜腐蚀液去除释放层，将柔性器件从玻璃基底上释放下来。

如图4所示，为上述方法制备的柔性器件，该器件的三层聚合物绝缘层夹着双层金属电路层的三维结构爆炸图；在部分实施例中，使用的聚合物为光敏型聚酰亚胺，三层聚合物绝缘层包括：底层聚酰亚胺绝缘层11、中间层聚酰亚胺绝缘层13和顶层聚酰亚胺绝缘层15；双层金属电路层包括：第一层金属电路层12和第二层金属电路层14。第一层金属电路层12和第二层金属电路层14间隔设置在底层聚酰亚胺绝缘层11、中间层聚酰亚胺绝缘层13和顶层聚酰亚胺绝缘层15之间。顶层聚合物绝缘层露出的第二层金属电路层包括：微电刺激接口1，肌电信号采集接口2，地电极3，刺激电极4，参比电极5和记录电极6。柔性器件尺寸较大，布线较密集，如果采用单层金属导线的线宽就会较小，无法保证器件微加工成品率，因此采用双层金属，线宽可以保证在100微米，从而大大提高了器件可靠性。

如图5中(a)-(c)所示，为所述柔性器件贴附于大鼠下肢骨骼肌的示意图和实验照片，通过上述方法制备的柔性器件(如图5中(a)所示)贴附在大鼠腿部的骨骼肌(如图5中(b)所示)上，所述柔性器件尺寸与大腿外形吻合，动物实验(如图5中(c)所示)，大鼠腿部的皮肤被小心移除，完整暴露出未被破坏的肌肉组织，将所述柔性器件轻轻贴附上去，保证所述柔性器件对称中线处的一列记录电极恰好位于大鼠腿部正后方，将所述柔性器件左右两侧的指状电极贴附在大鼠腿部肌肉侧面，用生理盐水浸湿器件和肌肉接触的地方，在范德瓦尔兹力的作用下，所述柔性器件会与肌肉贴合地十分紧密，不施加较大的力很难让其产生移位。对大鼠腿部肌肉进行不同微电刺激方式的组合，通过采集到的不同肌电信号和观察到的大鼠腿部不同运动模式，初步说明本实施例得到的所述器件切实可用，效果良好。

所述的柔性器件采用柔性MEMS工艺制作，材料选用具有生物相容性的铂和聚酰亚胺，总体厚度仅有8微米，保证了贴附时的良好保形性，促进了刺激电流和电生理信号的有效传递；

所述的柔性器件根据大鼠后肢实际尺寸形状设计，通过多条独立的指状电极有效贴附在整个后肢绝大部分侧部和后部肌肉，同时在刺激电极的周围围绕一圈地电极以有效控制电流扩散范围，在此区域内电流分布较为均匀，有利于受刺激区域肌肉细胞的同步激活，实现刺激区域的准确控制；

所述的柔性器件，电刺激和肌电信号采集接口独立分开，便于多通道电生理工作站同步施加微电刺激和采集电生理信号；刺激和采集的接口在同一器件上，且接口形式通用，便于多通道电生理工作站进行同步刺激和采集；

所述的柔性器件由三层聚合物绝缘层和两层金属电路层构成，在刺激电极和记录电极上修饰氧化铱，有效降低电化学阻抗、提高电荷存储能力，提高了信噪比和电荷存储能力。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。