一种纳米材料修饰的神经电极及制备方法

技术领域

本发明属于材料领域，涉及一种纳米材料修饰的神经电极的制备方法。

背景技术

神经电极是脑-机接口的核心设备单元，作为神经系统疾病的诊断工具，通过记录和调控神经电活动被广泛应用于神经科学。大多数中枢神经系统性疾病，如脑卒中、帕金森病和癫痫，都与异常的大脑循环活动密切相关，需要灵敏且生物相容的神经电极来进行及时诊断和治疗。尽管目前在神经电极领域有重大突破性发现和技术创新，但现有临床金属电极仍面临生物相容性、采集灵敏度以及长期稳定性等一系列重大挑战和局限性。一方面，脑电信号十分微弱但噪声背景较强，且信号频带较宽，极易受到50Hz工频及高频电磁的干扰。临床的金属电极受限于电子转移速度慢及电荷注入能力有限等问题，组织-电极界面阻抗较高导致神经记录的信噪比和灵敏度低。另一方面，传统植入式神经电极主要为杨氏模量约10

神经电极既要保证电极-组织界面的阻抗足够低，又要使其尺寸足够小以保证对目标组织电信号的精确提取，同时减少组织损伤，但尺寸的降低又会引起阻抗的大幅度增加。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种提高神经电极生物相容性、采集灵敏度以及长期稳定性，在保持神经电极原有空间选择性的前提下，使阻抗降低的纳米材料修饰的神经电极。

本发明的第二个目的是提供一种纳米材料修饰的神经电极的制备方法。

本发明的技术方案概述如下：

一种纳米材料修饰的神经电极的制备方法，包括如下步骤：

(1)对神经电极的记录位点表面进行粗糙化处理，用去离子水冲洗，依次放入丙酮、无水乙醇中超声清洗，干燥；

(2)将步骤(1)获得的电极为工作电极，以铂电极作为对电极，以Ag/AgCl作为参比电极，接入电化学工作站中，以浓度0.5-10mg/mL的纳米材料水溶液为电沉积工作液放入电解池中，进行沉积，沉积层数1-10层，对神经电极的记录位点进行表面修饰；

(3)用聚酰亚胺或聚对二甲苯对除了记录位点外的神经电极的其它部分进行绝缘处理，获得一种纳米材料修饰的神经电极。

纳米材料优选二维纳米材料、纳米团簇或单原子材料。

二维纳米材料的材质优选为石墨烯，MoS

纳米团簇优选为Au纳米团簇，Ag纳米团簇，Mn纳米团簇或Pt纳米团簇。

单原子材料优选为MN

沉积的方式为恒电流沉积、恒电压沉积或多电位阶跃沉积。

恒电流沉积的参数为沉积电流0.01-1mA，共沉积时间为120-1200s。

恒电压沉积的参数为沉积电压0.1-2V，共沉积时间为96-300s。

多电位阶跃沉积的参数为沉积电压0.1-2V，共沉积时间为96-300s。

上述方法制备的一种纳米材料修饰的神经电极。

本发明的优点：

本发明的制备方法，通过引入纳米材料对神经电极记录位点进行表面修饰，能够在保持原有空间选择性的前提下增大与电解质的接触面积，改善其界面性能。纳米材料的小尺寸、大比表面积、良好生物相容性等特性，作为电极修饰材料能显著加速电子传输速率。利用纳米材料对神经电极记录位点进行修饰，除了将材料本身的物化特性引入电极界面外，还使电极表面具有可控的微纳米结构从而拥有大的有效反应面，提高神经电极的电化学性能，及检测灵敏度。

附图说明

图1为实施例1的电沉积示意图。

图2为纳米材料修饰电极的结构表征。

图3为纳米材料修饰电极的电学性能。

图4为纳米团簇修饰电极的电学性能。

图5为二维纳米材料修饰电极的电学性能。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明

神经电极为市售，基底材料为金属或半导体硅，其中的金属为铂、金、铂铱合金、不锈钢、钨或铜。神经电极单针直径为2-100微米。

实施例1

一种纳米材料修饰的神经电极及制备方法，包括如下步骤：

(1)对神经电极(商品化直径为100μm)的记录位点表面进行粗糙化处理，(用400目砂纸进行打磨，其目的是将神经电极的记录位点表面进行活化处理并提高电化学沉积膜层与神经电极的材料之间的结合力)，用去离子水冲洗，依次放入丙酮、无水乙醇中超声清洗，干燥；

(2)将步骤(1)获得的电极为工作电极，以铂电极作为对电极，以Ag/AgCl作为参比电极，接入电化学工作站中，以浓度3mg/mL的Au纳米团簇水溶液为电沉积工作液放入电解池中，选择多电位阶跃沉积方式，在沉积电压为0.1V，每层沉积时间为24s，进行沉积，沉积层数4层，共沉积96s(如图1)所示，得电化学沉积膜层，对神经电极的记录位点进行表面修饰；

(3)用聚酰亚胺对除了记录位点外的神经电极的其它部分进行绝缘处理(涂覆)，获得一种纳米材料修饰的神经电极。

实施例2

一种纳米材料修饰的神经电极及制备方法，包括如下步骤：

(1)对神经电极(商品化直径为100μm)的记录位点表面进行粗糙化处理，(用400目砂纸进行打磨)，用去离子水冲洗，依次放入丙酮、无水乙醇中超声清洗，干燥；

(2)将步骤(1)获得的电极为工作电极，以铂电极作为对电极，以Ag/AgCl作为参比电极，接入电化学工作站中，分别以浓度0.5mg/mL的Ag纳米团簇水溶液、Au纳米团簇水溶液，Mn纳米团簇水溶液、Pt纳米团簇水溶液为电沉积工作液放入电解池中，选择恒电压沉积方式，在沉积电压为0.1V，每层沉积时间为24s，进行沉积，沉积层数4层，共沉积96s，得电化学沉积膜层，对神经电极的记录位点进行表面修饰；

(3)用聚酰亚胺对除了记录位点外的神经电极的其它部分进行绝缘处理(涂覆)，获得4个一种纳米材料修饰的神经电极。

实施例3

一种纳米材料修饰的神经电极及制备方法，包括如下步骤：

(1)对神经电极(商品化直径为2μm)的记录位点表面进行粗糙化处理，(用400目砂纸进行打磨)，用去离子水冲洗，依次放入丙酮、无水乙醇中超声清洗，干燥；

(2)将步骤(1)获得的电极为工作电极，以铂电极作为对电极，以Ag/AgCl作为参比电极，接入电化学工作站中，以浓度10mg/mL的Mn纳米团簇水溶液为电沉积工作液放入电解池中，选择恒电流沉积方式，沉积电流0.01mA，每层沉积时间为600s，进行沉积，沉积层数2层，共沉积1200s，得电化学沉积膜层，对神经电极的记录位点进行表面修饰；

(3)用聚酰亚胺对除了记录位点外的神经电极的其它部分进行绝缘处理(涂覆)，获得一种纳米材料修饰的神经电极。

实施例4

一种纳米材料修饰的神经电极及制备方法，包括如下步骤：

(1)同实施例1步骤(1)；

(2)将步骤(1)获得的电极为工作电极，以铂电极作为对电极，以Ag/AgCl作为参比电极，接入电化学工作站中，以浓度0.5mg/mL的石墨烯水溶液为电沉积工作液放入电解池中，选择多电位阶跃沉积方式，在沉积电压为2V，每层沉积时间为300s，进行沉积，沉积层数1层，得电化学沉积膜层，对神经电极的记录位点进行表面修饰；

(3)用聚酰亚胺对除了记录位点外的神经电极的其它部分进行绝缘处理(涂覆)，获得一种纳米材料修饰的神经电极。

实施例5

一种纳米材料修饰的神经电极及制备方法，包括如下步骤：

(1)对神经电极(商品化直径为100μm)的记录位点表面进行粗糙化处理，(用400目砂纸进行打磨，用去离子水冲洗，依次放入丙酮、无水乙醇中超声清洗，干燥；

(2)将步骤(1)获得的电极为工作电极，以铂电极作为对电极，以Ag/AgCl作为参比电极，接入电化学工作站中，分别以浓度0.5mg/mL的MoS

(3)用聚酰亚胺对除了记录位点外的神经电极的其它部分进行绝缘处理(涂覆)，获得3个一种纳米材料修饰的神经电极。

实施例6

一种纳米材料修饰的神经电极及制备方法，包括如下步骤：

(1)同实施例3步骤(1)；

(2)将步骤(1)获得的电极为工作电极，以铂电极作为对电极，以Ag/AgCl作为参比电极，接入电化学工作站中，以浓度10mg/mL的MoTe

(3)用聚酰亚胺对除了记录位点外的神经电极的其它部分进行绝缘处理(涂覆)，获得一种纳米材料修饰的神经电极。

实施例7

一种纳米材料修饰的神经电极及制备方法，包括如下步骤：

(1)同实施例1步骤(1)；

(2)将步骤(1)获得的电极为工作电极，以铂电极作为对电极，以Ag/AgCl作为参比电极，接入电化学工作站中，以浓度3mg/mL的FeN

(3)用聚对二甲苯对除了记录位点外的神经电极的其它部分进行绝缘处理(涂覆)，获得一种纳米材料修饰的神经电极。

实施例8

一种纳米材料修饰的神经电极及制备方法，包括如下步骤：

(1)同实施例1步骤(1)；

(2)将步骤(1)获得的电极为工作电极，以铂电极作为对电极，以Ag/AgCl作为参比电极，接入电化学工作站中，以浓度3mg/mL的VN

(3)用聚对二甲苯对除了记录位点外的神经电极的其它部分进行绝缘处理(涂覆)，获得一种纳米材料修饰的神经电极。

实施例9

一种纳米材料修饰的神经电极及制备方法，包括如下步骤：

(1)同实施例3步骤(1)；

(2)将步骤(1)获得的电极为工作电极，以铂电极作为对电极，以Ag/AgCl作为参比电极，接入电化学工作站中，以浓度3mg/mL的MnN

(3)用聚对二甲苯对除了记录位点外的神经电极的其它部分进行绝缘处理(涂覆)，获得一种纳米材料修饰的神经电极。

实验证明，用Cu、Rh、Pd、Pt、Ni、Zn、Ru、Ir、Cr、Zr、Mo、Re、Au、Cd、Tb、W、Ce或Co替代本实施例的MnN

实验例：

一种纳米材料修饰的神经电极(实施例1制备)的结构表征及电化学性能测试

图2为利用扫描电子显微镜和原子力显微镜对实施例1制备的一种纳米材料修饰的神经电极表面形貌及粗糙度的表征。与祼电极相比，一种纳米材料修饰的神经电极表面纳米功能层均匀且致密，在界面处形成大的比表面积，并与基底紧密结合。可以在不增加电极几何尺寸的前提下增大电极-组织界面的有效接触面积，增强电极电荷传输性能。

图3为纳米材料修饰的神经电极(实施例1制备)的电学性能。相比于未修饰的神经电极(祼电极)，一种纳米材料修饰的神经电极的电化学阻抗在生物相关频率1kHz下降低。一种纳米材料修饰的神经电极表面通过的电流幅值明显上升，且循环伏安曲线包围的面积比祼电极面积明显增大，电荷存储量提升。说明一种纳米材料修饰的神经电极由于界面修饰功能层的作用，能显著提升祼神经电极的电学性能。

图4为实施例2制备的不同纳米团簇修饰的神经电极的电学性能，

图5为不同二维纳米材料修饰的神经电极(实施例5)的电学性能，均能显著降低神经电极的电化学阻抗，显著提升神经电极的电学性能。

实验证明，实施例3、4、6、7、8、9制备的一种纳米材料修饰的神经电极的电极表面形貌及粗糙度与祼电极相比粗糙度增大。阻抗降低，电荷存储量增加。

本发明的一种纳米材料修饰的神经电极具有优异的生物相容性、高比表面积及稳定性，并且在长时间使用后依然能保持良好的性能，满足长期植入体内的需求。