本發(fā)明屬于人工耳蝸電極領(lǐng)域，涉及一種基于液態(tài)金屬的人工耳蝸電極及其制備方法。

背景技術(shù)：

耳蝸在人體聽覺系統(tǒng)中扮演著十分重要的角色，它將中耳傳導(dǎo)的聲音信號轉(zhuǎn)換為經(jīng)過編碼的電刺激信號，從而被神經(jīng)系統(tǒng)所識別，進而產(chǎn)生聽覺。對于神經(jīng)性耳聾患者而言，發(fā)病原因一般為耳蝸內(nèi)感覺毛細胞損傷，從而影響聽覺信號的傳導(dǎo)。人工耳蝸就是根據(jù)人體正常耳蝸聲音傳導(dǎo)原理進行設(shè)計的，其基本設(shè)計思路是將電極利用耳蝸造孔術(shù)植入到耳蝸內(nèi)，通過電極直接放電刺激聽神經(jīng)來取代感覺毛細胞傳導(dǎo)刺激的作用。

目前的人工耳蝸植入系統(tǒng)一般由以下幾部分組成：接受周圍聲音信號的微型麥克風(fēng)；將麥克風(fēng)接受的聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號的聲音處理裝置；將電信號和能量經(jīng)皮傳輸?shù)襟w內(nèi)的射頻裝置；植入體內(nèi)的射頻接受裝置；置于耳蝸內(nèi)的陣列電極。該系統(tǒng)通過一系列的電子設(shè)備將聲音信號轉(zhuǎn)化為電極上經(jīng)過編碼的電刺激信號，經(jīng)聽神經(jīng)傳導(dǎo)入腦。

人工耳蝸在植入過程中必須把蝸內(nèi)電極插入到耳蝸鼓階中，因此需要設(shè)計纖細且柔軟的電極，以便更好地保護耳蝸的殘余聽力。如果電極比較粗且硬度較高則會對耳蝸內(nèi)的結(jié)構(gòu)造成物理傷害。研究表明，人工耳蝸產(chǎn)生的信號頻率如果與電極觸點所在部位的自然聽覺頻率不匹配，患者的語音識別能力會受到不利的影響。因此設(shè)計改善人工耳蝸電極的力學(xué)特性可以進一步提高人工耳蝸的使用效果?，F(xiàn)有的人工耳蝸電極主要采用鉑絲電極，這種貴金屬電極雖然生物相容性很好，但是一般價格較高，而且在植入過程中容易對耳蝸結(jié)構(gòu)造成物理傷害。

一般的金屬材料往往具有很高的熔點，而有些金屬材料，如汞在常溫下保持液體形態(tài)。雖然汞可以在常溫下保持液態(tài)，但是其毒性較強，不適合在人體內(nèi)應(yīng)用。與汞類似，鎵及其與銦的合金具有較低的熔點。鎵銦合金具有較寬的液態(tài)溫度范圍，并且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。由于液態(tài)金屬的熔點較低，因此同時具有金屬的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和放射成像能力以及液體所具有的流動性和順應(yīng)性。液態(tài)金屬這種獨特的性質(zhì)，使其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種基于液態(tài)金屬的人工耳蝸電極及其制備方法，該電極具有體積小、柔性高的優(yōu)點，可以減小人工耳蝸植入過程中的物理傷害；該制備方法工藝簡單。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明提出的一種基于液態(tài)金屬的人工耳蝸電極，其特征在于，該電極包括呈三角形的上下兩層柔性聚合物薄膜，封裝在兩層柔性聚合物薄膜之間的液態(tài)金屬以及多個電極觸點；該呈三角形的柔性聚合物薄膜卷曲形成呈三角圓錐體的電極。

所述的下層柔性聚合物薄膜包括薄膜體，在該薄膜體上設(shè)置的多組凹槽和多組連接端口，該薄膜體為等腰三角形，多組凹槽與薄膜體的一斜邊同向均勻間隔分布，每組凹槽構(gòu)成一條液態(tài)金屬微流道，每條液態(tài)金屬微流道末端設(shè)有連接端口與薄膜體的底邊垂直，每條液態(tài)金屬微流道的首端與設(shè)置在薄膜體斜邊的電極觸點相連；上層柔性聚合物薄膜為等腰三角形薄膜體，沿該薄膜體一斜邊內(nèi)側(cè)均勻間隔分布多個通孔；上層薄膜體的每個通孔與下層薄膜體的每個電極觸點一一對應(yīng)。

如上所述的人工耳蝸電極的制備方法，其特征在于，具體包括如下步驟：

1)制備柔性聚合物薄膜；

1-1)制備下層柔性聚合物薄膜：

在一塊平整的硅片表面均勻旋涂一層感光膠，使用光刻技術(shù)對感光膠層進行圖案化處理，即將事先設(shè)計的帶有微流道圖案的遮光膠片放置在感光膠的上表面；使用紫外光對其進行照射30分鐘，取下遮光膠片使用顯影劑對感光膠進行沖洗；沖洗干凈后，將硅橡膠預(yù)聚物與固化劑以10:1的質(zhì)量比混合，并將該混合溶液均勻涂抹在感光膠表面后，將該感光膠置于75℃的加熱箱中加熱一小時，待混合溶液固化成膜后，將其揭下則形成具有微流道結(jié)構(gòu)的下層柔性聚合物薄膜；

1-2)制備上層柔性聚合物薄膜：

將步驟1-1)配置的硅橡膠預(yù)聚物與固化劑混合溶液均勻涂抹在另一塊硅片上，將該硅片放置在75℃的加熱箱中加熱一小時，待混合溶液固化成膜后，將其揭下則形成上層柔性聚合物薄膜；使用打孔器在該上層柔性聚合物薄膜上打出多個通孔；該通孔與電極觸點一一對應(yīng)；

1-3)將步驟1-2)制得的上層柔性聚合物薄膜和步驟1-1)制得的下層柔性聚合物薄膜使用等離子鍵合的方法鍵合；

2)在步驟1)制得的柔性聚合物薄膜中注入液態(tài)金屬及液態(tài)金屬硅膠混合物，并將薄膜卷曲制得人工耳蝸電極：

將步驟1-3)鍵合成型的柔性聚合物薄膜剪切成三角形，并將三角形底邊的微流道連接端口切開，使其與外界環(huán)境相通；使用注射器把液態(tài)金屬由微流道連接端口處注入微流道內(nèi)，并完全充滿流道；使用注射器抽取液態(tài)金屬硅膠混合物注射到上層柔性聚合物薄膜薄膜的通孔中構(gòu)成電極觸點；在制作完成的柔性聚合物薄膜下表面涂抹一層粘性膠水，從沒有電極觸點的斜邊開始向上卷起該三角形薄膜的斜邊，使每一層薄膜緊密貼合，卷曲成三角圓錐體結(jié)構(gòu)，多個電極觸點分布在三角圓錐體最外層邊緣，多個流道連接端口集中在三角圓錐體的底面，形成人工耳蝸電極。

本發(fā)明提出的一種基于液態(tài)金屬的人工耳蝸電極及其制備方法，其特點和有益效果在于：

本發(fā)明將液態(tài)金屬灌注在彈性高分子材料的微流道中，作為電極材料，同時其柔順性和應(yīng)力應(yīng)變特性完全取決于彈性高分子材料的特性。這種電極具有與生物組織相近的力學(xué)特性，可以盡可能減小對生物組織的機械傷害。為了進一步減小電極的體積，本發(fā)明將薄膜卷繞成三維圓錐體結(jié)構(gòu)。最終的人工耳蝸電極與現(xiàn)有的電極形狀類似，但具有更好的柔性和可拉伸性能。本發(fā)明將液態(tài)金屬材料與柔性微流道技術(shù)結(jié)合，設(shè)計出具有良好導(dǎo)電性和極佳的柔順性的新型電極，改善了傳統(tǒng)人工耳蝸電極的力學(xué)特性，且其制備工藝簡單，是液態(tài)金屬在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的有益探索。

附圖說明

圖1-1是本發(fā)明實施例PDMS材質(zhì)的人工耳蝸電極的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖1-2是本發(fā)明實施例PDMS材質(zhì)的人工耳蝸電極展開后俯視圖；

圖2是本發(fā)明實施例的PDMS材質(zhì)的人工耳蝸電極展開后各組成部分的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3-1是本發(fā)明實施例PDMS材質(zhì)的柔性聚合物薄膜的制備示意圖；

圖3-2是本發(fā)明實施例PDMS材質(zhì)的微流道光刻技術(shù)的操作過程示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例PDMS材質(zhì)的柔性聚合物薄膜卷繞成圓錐體人工耳蝸電極的過程示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進一步描述：

本發(fā)明提出的一種基于液態(tài)金屬的人工耳蝸電極，其實施例結(jié)構(gòu)如圖1-1和1-2所示，該電極1包括呈三角形的上下兩層柔性聚合物薄膜2、封裝在兩層柔性聚合物薄膜之間的液態(tài)金屬，以及26個電極觸點；呈三角形柔性聚合物薄膜2卷曲形成整體呈三角圓錐體的電極1，其底面直徑約為1mm，電極長度為3cm，三角圓椎體一側(cè)表面以0.4mm間距均勻分布著26個電極觸點5，每個電極觸點直徑為0.6mm，三角圓椎體的底面分布著26個流道接口。該人工耳蝸電極的具體尺寸和形狀可以做出相應(yīng)的調(diào)整，其中，電極觸點為20-30個。

所述的呈三角形的上下兩層柔性聚合物薄膜2如圖1-2所示，整體呈等腰三角形薄膜狀，總厚度在150μm左右，其斜邊長度為30mm，底邊長度為5.5mm，由上層薄膜4、帶有液態(tài)金屬微流道的下層薄膜3、液態(tài)金屬硅膠混合物構(gòu)成的電極觸點5組成。本發(fā)明中使用的薄膜2可以使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)等彈性高分子材料，本發(fā)明實施例使用的是Dow Corning公司生產(chǎn)的PDMS材料。

如圖2所示，下層柔性聚合物薄膜包括PDMS薄膜體2a、在該薄膜體上設(shè)置的26組凹槽和26組連接端口，該薄膜體2a為等腰三角形，厚度為100μm，26組凹槽與薄膜體2a的一斜邊同向以1mm的間距均勻分布，每組凹槽構(gòu)成一條高度為50μm，寬度為50μm液態(tài)金屬微流道2f，每條液態(tài)金屬微流道末端設(shè)有與薄膜體的底邊垂直的連接端口2g，每個連接端口的高度為50μm，寬度為100μm，長度為1mm，每條液態(tài)金屬微流道的首端與設(shè)置在薄膜體斜邊的直徑為0.6mm的電極觸點2e相連；上層柔性聚合物薄膜為等腰三角形，厚度為50μm的PDMS薄膜體2b，沿該薄膜體一斜邊內(nèi)側(cè)以間距0.4mm均勻分布著26個直徑為0.6mm通孔2c；上層薄膜體的通孔2c與下層薄膜體的電極觸點2e一一對應(yīng)。

所述的液態(tài)金屬為在常溫下保持液體形態(tài)的鎵銦合金，不同的含量配比可以得到不同熔點和導(dǎo)電性能的液態(tài)金屬合金，也可以在該合金加入其它金屬，如錫、鋅、鉍中的任一種；本發(fā)明中實施例中所選用的鎵銦合金，由75.5％的鎵和24.5％的銦組成，該鎵銦合金的熔點為10.35℃。

所述的電極觸點由液態(tài)金屬硅膠混合物構(gòu)成，該混合物由液態(tài)金屬微滴噴涂在尚未固化的硅膠聚合物(如硅橡膠預(yù)聚物Sylgard 184)中，攪拌均勻制得；該觸點可以防止液態(tài)金屬泄露，其中的液態(tài)金屬微滴具有導(dǎo)電能力，可以作為與神經(jīng)細胞接觸的刺激電極。

本發(fā)明提出的基于液態(tài)金屬的人工耳蝸電極的制備方法，具體包括如下步驟：

1)制備柔性聚合物薄膜，具體包括：

1-1)制備下層柔性聚合物薄膜：

如圖3-1所示，在一塊平整的硅片3a表面均勻旋涂一層50μm高的感光膠3b，使用光刻技術(shù)對感光膠層進行圖案化處理，即如圖3-2所示，將事先設(shè)計的帶有微流道圖案的遮光膠片3f放置在感光膠3b的上表面；使用紫外光對其進行照射30分鐘，取下遮光膠片3f使用顯影劑對感光膠進行沖洗；沖洗干凈后，將硅橡膠預(yù)聚物Sylgard 184(PDMS)與固化劑(Dow Corning，USA)以10:1的質(zhì)量比混合，并將該混合溶液均勻涂抹在感光膠3b表面，并將該感光膠3b置于75℃的加熱箱中加熱一小時；待混合溶液固化成膜后，將其揭下則形成具有微流道3c結(jié)構(gòu)的下層柔性聚合物薄膜；

1-2)制備上層柔性聚合物薄膜：

將步驟1)配置的硅橡膠預(yù)聚物與固化劑混合溶液均勻涂抹在另一塊硅片3a上，將該硅片3a放置在75℃的加熱箱中加熱一小時，待混合溶液固化成膜后，將其揭下形成上層柔性聚合物薄膜3d；使用直徑為600μm的打孔器在上層聚合物薄膜上打出26個通孔3e，該通孔與電極觸點一一對應(yīng)；

1-3)將步驟1-2)制得的上層柔性聚合物薄膜和步驟1-1)制得的下層柔性聚合物薄膜使用等離子鍵合的方法鍵合；

所述的等離子鍵合的操作方法具體包括：將上層柔性聚合物薄膜和下層柔性聚合物薄膜貼合在一起，放入PDMS芯片等離子鍵合機(型號為GPC-102A)中；首先對等離子鍵合機的腔體進行抽真空處理；之后使用氧氣反復(fù)沖洗，排除其余氣體；關(guān)閉氧氣流，把真空腔抽真空到真空度(氧氣壓力)為13.3～40Pa；加高壓1400～2000V使真空腔內(nèi)的氧氣起輝，對薄膜表面進行氧等離子體轟擊，即可完成對薄膜的鍵合。

2)在步驟1)制得的柔性聚合物薄膜中注入液態(tài)金屬及液態(tài)金屬硅膠混合物，并將薄膜卷曲制得人工耳蝸電極，具體包括：

將步驟1-3)鍵合成型的柔性聚合物薄膜剪切成三角形，并將三角形底邊的26個微流道連接端口切開，使其與外界環(huán)境相通；使用注射器把液態(tài)金屬由微流道連接端口處注入微流道內(nèi)，并完全充滿流道；使用注射器抽取液態(tài)金屬硅膠混合物(該混合物是將液態(tài)金屬微滴噴涂在尚未固化的硅膠聚合物中，攪拌均勻制得)注射到上層柔性聚合物薄膜薄膜的通孔中構(gòu)成電極觸點；(微流道連接端口中插入金屬導(dǎo)線，以便與后級的控制電路連接；)

如圖4所示，在制作完成的柔性聚合物薄膜4a下表面涂抹一層粘性膠水，從沒有電極觸點的斜邊開始向上卷起該三角形薄膜的斜邊，使每一層薄膜緊密貼合，卷曲成三角圓錐體結(jié)構(gòu)4b，26個電極觸點4c分布在三角圓錐體最外層邊緣，26個流道連接端口4d集中在三角圓錐體的底面，形成人工耳蝸電極。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。