基于PEDOT:PSS界面的柔性透明神经电极及其制备方法

本发明涉及神经科学领域，具体涉及一种基于pedot∶pss界面的柔性透明神经电极及其制备方法。

背景技术：

1、神经电极作为神经和外部设备的接口，能直接记录神经电信号，其机械性能和界面性能对神经环路的研究和神经疾病的治疗至关重要。目前神经电极主要分为刚性电极和柔性电极，柔性电极基于其和生物组织之间相仿的机械性能，在神经信号记录领域具有很大的优势。常用的柔性电极界面材料基本是基于惰性导电金属，如金、铂等，其在生物相容性上有一定的优势，但界面阻抗方面仍有很大的进步空间。

2、pedot∶pss，即聚(3，4-乙烯二氧噻吩)∶聚苯乙烯磺酸，是一种高分子聚合物的水溶液，导电率很高，常用做神经电极界面修饰的材料。目前常用电镀的方式在导电金属表面增加一层pedot∶pss，可大幅度降低电极的界面阻抗，但通过电镀方式形成的pedot∶pss膜机械性能较差，和金属界面的粘附性较差，无法用于长期神经电信号记录。

3、因此，提供一种同时兼顾电学性能和机械稳定性的柔性透明神经电极显得尤为重要。

技术实现思路

1、鉴于现有技术中的上述问题，本发明提供一种基于pedot∶pss界面的柔性透明神经电极及其制备方法。

2、本发明的一个方面提供一种基于pedot∶pss界面的柔性透明神经电极的制备方法，以pedot∶pss作为记录和传输神经电信号的功能材料，使用薄层绝缘聚合物作为pedot∶pss干法刻蚀的掩膜层，实现大面积pedot∶pss的图形化，使用面向硅片的反向工艺，实现无损化pedot∶pss柔性透明神经电极100的制备，包括以下步骤：s1，在洁净的硅片上沉积铝层，形成牺牲层；s2，在所述牺牲层上沉积第一聚合物绝缘层，形成底层绝缘层1；s3，干法刻蚀所述底层绝缘层1，使所述底层绝缘层1上形成纳米森林，以增加所述底层绝缘层1的粘附性；s4，在所述底层绝缘层1上的部分表面沉积多金属层，采用金属剥离工艺得到图形化的金属导线层3；s5，在经s4处理后的所述硅片上旋涂光刻胶，经前烘、曝光、显影漏出所述底层绝缘层1的记录点区域，干法刻蚀所述底层绝缘层1，得到带有多个记录点通孔12的底层绝缘层1；s6，采用氧等离子处理经s5处理后的所述硅片，使所述底层绝缘层1具有亲水性后，在所述硅片上旋涂pedot∶pss预配置溶液，形成pedot∶pss层4；s7，在所述pedot∶pss层4上沉积第二聚合物绝缘层，形成所述pedot∶pss层4的聚合物掩膜；s8，在所述pedot∶pss层4的聚合物掩膜上旋涂光刻胶光刻后形成掩膜，干法刻蚀所述pedot∶pss层4，得到图形化的pedot∶pss层4；s9，在经s8处理后的所述硅片上沉积第三聚合物绝缘层，形成顶层绝缘层2；s10，在所述顶层绝缘层2上旋涂光刻胶光刻后形成掩膜，干法刻蚀出所述顶层绝缘层2的电极轮廓、顶层焊接通孔21和所述底层绝缘层1的电极轮廓、底层焊接通孔11，得到图形化的顶层绝缘层2和图形化的底层绝缘层1，得到所述柔性透明神经电极100；s11，采用阳极电化学腐蚀工艺腐蚀所述牺牲层，释放所述柔性透明神经电极100。

3、在本发明的一些示意性地实施例中，所述pedot∶pss预配置溶液由多种材料按比例配置，经过搅拌、超声处理、静置后得到，所述pedot∶pss预配置溶液包括：pedot∶pss；乙二醇，用于提高所述pedot∶pss预配置溶液的导电性；(3-缩水甘油氧丙基)三甲氧基丙烷，用于聚合物交联剂；十二烷基苯磺酸，用于提高所述pedot∶pss预配置溶液的均匀度；其中，所述pedot∶pss、乙二醇、(3-缩水甘油氧丙基)三甲氧基丙烷、十二烷基苯磺酸在所述pedot∶pss预配置溶液中的比例配置为93.9∶5∶1∶0.1。

4、在本发明的一些示意性地实施例中，在s1中，所述铝层的厚度为200～500nm；在s2中，所述底层绝缘层1采用的材料包括聚对二甲苯或聚酰亚胺，所述底层绝缘层1的厚度为1～5μm；在s3中，所述纳米森林的高度为百纳米级别，所述纳米森林的高度与刻蚀所述底层绝缘层1的气体和时间有关；在s4中，所述金属导线层3包括依次沉积的下粘附层、中间层和上粘附层，其中，所述下粘附层和所述上粘附层的材料相同，采用的材料包括cr或ti，所述下粘附层和所述上粘附层的厚度相同，且厚度为10～50nm，所述中间层的材料包括au或pt，且厚度为100～300nm；在s5中，所述曝光的接触方式包括软接触，以增加掩膜和硅片之间的间隙，减少正性光刻胶所形成的正台结构的坡度，便于pedot∶pss预配置溶液旋涂时在记录点区域成膜；在s6中，形成所述pedot∶pss层4后，将带有所述pedot∶pss层4的所述硅片浸泡在去离子水中，以去除所述pedot∶pss层4表面的pss层；在s7中，所述pedot∶pss层4的聚合物掩膜覆盖全部所述pedot∶pss层4，所述pedot∶pss层4的聚合物掩膜与所述底层绝缘层1的材料相同，所述pedot∶pss层4的聚合物掩膜的厚度小于所述底层绝缘层1，且所述pedot∶pss层4的聚合物掩膜的厚度包括500nm；在s9中，所述顶层绝缘层2和所述底层绝缘层1采用相同的材料，且厚度相同；在s11中，所述阳极电化学腐蚀工艺中，电源的正极连接经s10处理后的硅片，所述电源的负极连接银丝，将连接硅片的所述正极和连接银丝的所述负极同时置于1mol/l的氯化钠溶液中，通以0.5～2v的直流电压。

5、本发明的另一个方面提供一种基于pedot∶pss界面的柔性透明神经电极，所述柔性透明神经电极100包括：底层绝缘层1，所述底层绝缘层1的左侧区域设有多个底层焊接通孔11，所述底层绝缘层1的右侧区域设有多个记录点通孔12；顶层绝缘层2，相对所述底层绝缘层1设置，且所述顶层绝缘层2与所述底层绝缘层1贴合，所述顶层绝缘层2的左侧区域设有多个顶层焊接通孔21；金属导线层3，设置于所述底层绝缘层1和所述顶层绝缘层2之间的左侧区域，所述金属导线层3包括多个金属导线31；pedot∶pss层4，设置于所述底层绝缘层1和所述顶层绝缘层2之间的右侧区域，所述pedot∶pss层4包括多个pedot∶pss记录点41和多个pedot∶pss导线42，一个所述pedot∶pss导线42的一端连接一个pedot∶pss记录点41，且另一端连接一个所述金属导线31；其中，所述顶层绝缘层2的右侧区域、所述多个pedot∶pss记录点41和所述底层绝缘层1的所述多个记录点通孔12形成所述柔性透明神经电极100的主要界面区，所述主要界面区用于将神经电信号通过所述多个记录点通孔12耦合到所述多个pedot∶pss记录点41上；所述多个顶层焊接通孔21、所述金属导线层3的左侧区域和所述多个底层焊接通孔11形成所述柔性透明神经电极100的电极焊接区，用于将所述柔性透明神经电极100与外部记录系统进行电气连接，将所述pedot∶pss记录点41记录到的所述神经电信号传递给所述外部记录系统；所述多个pedot∶pss导线42、所述多个金属导线31和所述pedot∶pss导线42与所述金属导线31的连接区域形成所述柔性透明神经电极100的中间导线区，用于将所述神经电信号从所述主要界面区传递到所述电极焊接区。

6、在本发明的一些示意性地实施例中，所述底层绝缘层1和所述顶层绝缘层2采用相同的透明材料，且所述透明材料包括聚对二甲苯或聚酰亚胺，以使所述主要界面区透明；所述主要界面区中的所述记录点通孔12的孔径范围为10～50μm；所述电极焊接区与外部记录系统进行电气连接的方式包括金球铆焊、金丝压焊、倒装焊。

7、通过上述实施例，本发明提供的一种基于pedot∶pss界面的柔性透明神经电极及制备方法，至少具有以下有益效果其中之一：

8、(1)使用透明导电材料pedot∶pss作为神经电极记录和传输神经电信号的功能材料，以薄层绝缘聚合物作为pedot∶pss干法刻蚀的掩膜层，可实现大规模pedot∶pss的图形化；

9、(2)基于常规mems工艺，使用面向硅片的反向工艺，阳极腐蚀铝的基本工艺方法，结合干法刻蚀、剥离等工艺，可实现无损化pedot∶pss柔性透明神经电极100的制备，同时该制备方法简单、易操作、可标准化大批量实现基于pedot∶pss界面的柔性透明神经电极的制备；

10、(3)柔性透明神经电极的主要界面区使用顶层绝缘层/pedot∶pss层/底层绝缘层组成，三者皆为透明材料，使电极主要界面区透明，可有效与钙离子荧光成像等光成像或光刺激手段结合，同时进行电生理信号和钙离子荧光成像，实现高时空分辨率的神经活动记录；

11、(4)本发明提供的基于pedot∶pss界面的柔性透明神经电极，电极的导电特性和传统电镀式的基于pedot∶pss界面的柔性电极相似，但具有更为优异的机械性能。