电极触点的加工方法及植入式电极

1.本技术涉及植入式医疗器械领域，尤其涉及一种具有层级结构的植入式电极的电极触点的加工方法及植入式电极。


背景技术：

2.用于神经刺激和/或记录的植入式电极是神经调节设备和脑机接口的重要组成部分，它们正在迅速发展并应用于疾病治疗和物理康复。为了植入式电极的安全、稳定，其电极界面必须允许注入足够的电荷，同时需避免不可逆的还原和氧化反应。
3.铂或铂铱合金(pt-ir)因其优异的生物相容性和耐腐蚀性而被广泛用于有源植入式医疗设备的神经刺激电极，例如深部脑刺激器、人工耳蜗和脊髓刺激器。然而，它们的低电荷注入能力限制了进一步的应用，不能满足需要更小的几何形状电极和复杂刺激策略的日益增长的需求。此外，几何尺寸小的电极通常伴随着高阻抗幅值，这不仅影响刺激效率，而且影响记录质量。
4.为了优化电极界面特性，现有技术主要可以分为两类：添加涂层和表面改性。
5.添加涂层是通过溅射、电沉积、化学作用等，在电极基底上添加包括氧化铱，铂黑和导电聚合物等涂层材料。它们可以将电极的电荷注入能力大大提高1-2个数量级。但是，涂层材料可能无法牢固地附着到电极基底上，并且可能存在生物相容性的挑战。此外，大多数用于增加电极表面积的制造方法都涉及复杂的制造工艺和不常见的材料，例如石墨烯等，成本较高。
6.表面改性提供了另一种方法，包括等离子体蚀刻，电化学粗糙化加工和超快激光直写等。等离子蚀刻可以实现孔径和深度的可控性，并具有改善的电化学性能，但是需要精确的掩模来覆盖不需要处理的区域。电化学粗糙化可以获得增大的表面积增加，但难以维持稳定的过程，并且需要使用一些有害的化学试剂。
7.超快激光直写通过烧蚀后的再固化和微纳颗粒的再沉积等过程，产生丰富的各种微/纳米结构，是一种简单快速的方法。us9117680b2提出使用高脉冲能量的超快激光在电极表面形成多个尺度的微纳凸起结构，来提高比表面积。但这种技术未对涉及激光直写过程中的多个加工参数的组合调控和形成的表面结构进行优化，不能实现对生物组织的主要成分(例如水)的芯吸，电荷注入能力、阻抗幅值仍有很大的改善空间。


技术实现要素：

8.为了改善或解决背景技术提出的至少一个问题，本技术提供了具有层级结构的植入式电极的电极触点的加工方法及植入式电极。
9.该电极触点的加工方法包括通过激光直写技术在触点基体的表面进行线扫描，加工出层级结构，形成具有所述层级结构的所述电极触点，所述层级结构包括沟槽和附着于所述沟槽的微纳颗粒，所述激光为脉冲宽度小于10皮秒的激光，所述激光的扫描线间距为δx，所述激光单次线扫描的烧蚀宽度为w，满足δx≤0.5
×
w。
10.在至少一个实施方式中，所述δx与所述w之间的关系满足，0.05
×
w≤δx≤0.15
×
w。
11.在至少一个实施方式中，所述激光的单个光斑范围内受到辐照脉冲数为n，所述激光的单脉冲能量为e，所述n与所述e的取值成反比。
12.在至少一个实施方式中，所述触点基体被加工成管状或片状。
13.在至少一个实施方式中，在所述触点基体被加工成管状的情况下，所述激光的扫描线被加工为螺旋线、沿着所述电极触点的周向延伸且在所述电极触点的轴向上间隔的平行线、沿着所述轴向延伸且在所述周向上间隔的平行线中的至少一者。
14.在至少一个实施方式中，在所述触点基体被加工成片状的情况下，所述激光的扫描线被设置成平行直线或平行弯折线。
15.在至少一个实施方式中，所述触点基体的片状两面都加工有所述层级结构。
16.在至少一个实施方式中，所述沟槽的宽度为a，且满足0.1μm≤a≤1000μm，所述微纳颗粒的粒径为r，且满足10nm≤r≤1000nm。
17.在至少一个实施方式中，所述激光的光轴与所述触点基体的表面之间具有大于0
°
且小于90
°
的夹角。
18.本技术提供的植入式电极包括利用上述加工方法加工得到的电极触点，所述植入式电极还包括：
19.导线，所述导线连接于所述电极触点；
20.套管或涂层，所述套管或涂层设置于所述导线的外侧；以及
21.密封部，所述密封部设置于所述电极触点的所述层级结构以外的部位。
22.本技术通过激光直写技术以扫描线烧蚀触点基体，以加工出具有沟槽和微纳颗粒的电极触点，通过控制线扫描重复率，提高了微纳颗粒的附着效果，电荷注入能力得以提高，阻抗幅值降低，且具有优异的芯吸效应，提高了电化学性能。
附图说明
23.图1示出了根据本技术实施方式的具有层级结构的植入式电极的结构示意图。
24.图2a、图2b、图2c、图2d和图2e示出了根据本技术实施方式的电极触点的结构示意图。
25.图3a、图3b和图3c示出了根据本技术实施方式的电极触点表面的层级结构在不同线扫描重复率情况下的结构示意图。
26.附图标记说明
27.1 电极触点；
28.2 导线；
29.3 套管；
30.4 密封部；
31.5 层级结构；51 沟槽；52 微纳颗粒
具体实施方式
32.下面参照附图描述本技术的示例性实施方式。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技术，而不用于穷举本技术的所有可行的方式，也不用于限制本技术的范围。
33.本技术提供了一种具有层级结构的植入式电极，其可以适用于心脏起搏器、除颤器、脑深部电刺激器、脊髓刺激器、迷走神经刺激器、肠胃刺激器或者其他类似的植入式医疗器械。
34.参见图1，该植入式电极包括电极触点1、导线2、套管3和密封部4。导线2连接于电极触点1，导线2的外部可以设置套管3，并且可以在电极触点1的左右两端设置密封部4。参见图1，左端的密封部4可以用于避免人体与电极触点1的不具有层级结构5(后面介绍)的部位接触，右端的密封部4能起到隔离电极触点1与套管3的作用。即，密封部4可以设置于电极触点1的层级结构5以外的部位。当然，还可以在导线2外表面设置涂层(图中未示出)，代替套管3。即，可以将电极触点1与人体(受试者)组织接触的界面以外的地方进行绝缘处理，防止不必要的接触。
35.示例性地，套管3的材料可以为硅橡胶、聚酰亚胺、派拉伦、含氟塑料等。密封部4的材料可以为聚氨酯、聚酰亚胺、派拉伦、含氟塑料等。
36.示例性地，参见图2a、图2b、图2c、图2d和2e，电极触点1的触点基体的形态可以为管状、片状等。触点基体的材料可以为可植入导电材料、如铂、铂铱、不锈钢、mp35n(非磁性镍钴铬钼合金)、镍、钛等。
37.电极触点1的表面上具有层级结构5。示例性地，参见图3c层级结构5包括平行的沟槽51和在沟槽51上附着的微纳颗粒52。
38.参见图3a、图3b和图3c，沟槽51可以由槽宽a和沟槽角b定义其几何尺寸。其中槽宽a即为沟槽51顶部开口的宽度，沟槽角b定义为沟槽侧壁与水平面的夹角。槽宽a可以设置为0.1μm≤a≤1000μm，沟槽角b可以设置为0
°
＜b＜90
°
。微纳颗粒52附着在沟槽51上，微纳颗粒52的粒径r为10nm≤r≤1000nm范围内。层级结构5可以极大提高电极的实际表面积，使电极触点1的表面具有芯吸效应，即在表面张力的作用下实现对液体(比如，水)的快速吸收，利于电极触点1充分浸润，提高电化学性能。
39.通过超快激光在触点基体的表面进行线扫描，可以制备上述层级结构5。所谓超快激光为脉冲宽度小于10ps的激光。激光加工中涉及四个基本参数：扫描速度v，重复频率f，扫描线间距δx和单脉冲能量e。
40.其中，扫描速度v和重复频率f共同决定单个光斑范围内受到辐照脉冲数n。
[0041][0042]
其中，ω0为高斯光束(激光)半径。
[0043]
单脉冲能量e影响单次线扫描的烧蚀宽度w。参见图3a，烧蚀宽度w为激光在材料上烧蚀出的开口宽度。
[0044][0045]
其中，e
th
为烧蚀阈值。
[0046]
本技术中，激光的扫描线之间平行或者扫描线呈螺旋形，扫描线之间的间距为δx，或者螺旋线中的螺距(该螺距也称为扫描间距)为δx。根据烧蚀宽度w和设计出的扫描间距δx，可以得到线扫描重叠率
[0047][0048]
线扫描重叠率可以理解为两次扫描线扫描形成沟槽的重叠比率。
[0049]
即，通过调节n、e和可以控制超快激光直写形成的层级结构5。n取值范围为，100≤n≤100,000，e取值范围为1≤e≤500μj。
[0050]
本技术通过大量的试验研究，设计出了合理的的取值范围，取值范围优选为，即激光的扫描线间距δx不大于激光单次线扫描的烧蚀宽度w的一半。采用50％以上的线扫描重叠率更有利于微纳颗粒52沉积并稳定附着于沟槽51，形成层级结构5。
[0051]
进一步地，最合理的的取值范围可以设置在即0.05
×
w≤δx≤0.15
×
w，以提升单位面积的微纳颗粒52沉积数量，同时避免过度沉积导致的多孔结构堵塞。若重叠率超过95％，沟槽51侧壁过低，不利于沉积微纳颗粒52。
[0052]
参见图3a，超快激光在金属表面进行直线扫描时，会形成一个近似锥形的微槽51，其宽度为烧蚀宽度w。进行连续平行线扫描时，当线扫描轨迹无重叠，扫描间距δx≥w，此时扫描重叠率形成无重叠的微槽结构。可以理解，没有意义，这里将的最小值取为0，表示两次平行线扫描形成的沟槽不重叠。仍有非常微量的微纳颗粒52沉积在已形成的微槽51中。
[0053]
参见图3b，线扫描间距δx减小，即扫描重叠率增大，微槽51出现重叠，后续扫描产生的微纳颗粒52会沉积到已形成的微槽中。此时，描产生的微纳颗粒52会沉积到已形成的微槽中。此时，仅有少量的微纳颗粒52沉积在已形成的微槽51中。
[0054]
参见图3c，线扫描间距δx进一步减小，至δx小于w/2，也即扫描重叠率此时线扫描激光光束的中心落在之前线扫描已形成微槽的倾斜侧壁上，有助于更多微纳颗粒52倾斜喷射，沉积到已形成的微槽51中，且稳定附着在微槽51表面，形成丰富的层级结构5。
[0055]
参见图3b和图3c，可以明显看出，当时，沟槽51的沟槽侧壁高度较低，微纳颗粒52的沉积密度相对较高，微纳颗粒52更容易粘附在微纳颗粒52上，从而降低了微纳颗粒52从沟槽51中脱落率，可以降低因微纳颗粒52脱落到人体组织而引起的生物相容性问题。
[0056]
当时，激光光束更多地辐照在未加工过的光滑表面，当时，激光光束更多地辐照在未加工过的光滑表面，当时激光光束更多地辐照在已加工的表面。已加工的表面的实际表面积相比于未加工过的光滑表面的实际表面积更大，更大的实际表面积有助于吸收更多的激光能量，进而使时，沟槽中能实现更多的微纳颗粒沉淀。
[0057]
本技术的图3a、图3b、图3c示出了激光的光轴垂直于触点基体的表面的实施方式。进一步地，激光的光轴还可以与触点基体的表面可以具有大于0
°
且小于90
°
的夹角(例如图2c)，这样烧蚀更有利于微纳颗粒沉积。可以理解，当触点基体为管状，微观下，其圆柱面可以视为平面。
[0058]
本技术还提出合理选择e和n的组合，可以显著提高电极的电化学性能。e和n数值都较高的组合可能导致过度的微纳颗粒沉积，阻塞已形成的层级结构5。本技术发现，e和n两者中一高一低的搭配有利于优化电极性能。如当e＝10μj时，可选取n＝1000；或e＝5μj，可选取n＝5000。e和n的取值可以成反比，可以使e与n的乘积的量值不大于25,000，避免e和n都高情况下导致的微纳颗粒过度沉积。
[0059]
本技术还提供了植入式电极的加工方法。
[0060]
参见图2a，示例性地，可以采用飞秒激光器对外径d为1.27mm，壁厚100μm的铂铱合金管(触点基体)进行加工来形成电极触点1。激光的脉冲宽度300fs，中心波长1030nm，重复频率上限600khz，激光器的额定输出功率10w。
[0061]
当然，本技术不限制飞秒激光器的型号、电极触点1的待加工材料的参数以及飞秒激光器的具体工作参数。
[0062]
对铂铱合金管进行表面处理时，铂铱合金管可以由机床运动系统的三爪卡盘夹持，通过控制平移轴x和旋转方向a，沿电极触点1圆周做线扫描烧蚀。选定合适的一组的激光脉冲能量e、重复频率f和扫描速度v，在铂铱合金管上进行圆周扫描，得到沟槽51，其上嵌有丰富的微纳颗粒52。
[0063]
参见图2a、图2b、图2c，本技术中呈管状的电极触点1上的激光的扫描线可以为螺旋线(如图2a)、沿着周向延伸且在轴向间隔的平行线(如图2b)、沿着轴向延伸且在周向间隔的平行线(如图2c)；参见图2d和图2e，本技术中成片状的电极触点1上的激光的扫描线可以为平行直线(如图2d)、平行弯折线(如图2e)等。在本技术的一个实施方式中，片状的电极触点1的两面都具有层级结构5。
[0064]
根据选定的激光线扫描的重叠率得到扫描间距δx。本技术的一个实施例中，以e＝10μj，f＝100khz，v＝5mm/s和δx＝8μm(此时，)为例，在电极上绕x轴平行烧蚀。完成飞秒激光直写后，使用超声波清洗机在水中清洗30s。可以切取长度l为1.5mm的铂铱管作为电极触点1，在金属导体外部套上套管3，并在电极触点1的两端用密封部4绝缘密封处理，由此完成具有层级结构的植入式电极的加工。
[0065]
在本技术的实验测试中，电极触点1的表面表现出了对水的芯吸效应。更具体地，在电极触点1的表面滴加约0.3μl的水；经过0.25秒，水迅速润湿电极触点1的表面；3秒后，水滴因被电极触点1的表面吸收而明显变小。在本技术的实验测试中，通过电化学性能测试，电极触点1的电荷存储能力提升为未设置层级结构的电极的28倍，电化学阻抗幅值极大降低，界面电容增大。
[0066]
本技术通过设置50％以上(更优选地设置不小于85％且不大于95％)的线扫描重叠率，合理控制脉冲能量、扫描速度和重复频率的组合，在金属表面形成稳定附着的丰富微纳层级结构。稳定附着的层级结构能够避免微纳颗粒脱落引起的生物相容性问题，是电极满足临床应用的关键性能。同时电极的电荷注入能力得到显著提高，阻抗幅值下降，并且具有优异的芯吸效应。
[0067]
以上所述是本技术的优选实施方式，应当指出，对于本领域技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本技术的保护范围。