基于体耦合能量收集的微型无线电刺激装置及其制备方法与流程

本发明涉及神经调控与生物医学工程领域，尤其涉及基于体耦合能量收集的微型无线电刺激装置及其制备方法。

背景技术：

1、随着神经科学和生物医学工程的发展，神经电刺激技术逐渐被应用于多种神经系统疾病，包括情绪障碍、帕金森、癫痫等。其中焦虑相关情绪障碍具有患病率高，复发率高，病程迁延、传统治疗疗效有限、副作用较大、依从性不足等特点，但相关神经调控研究较少。现有技术中，经颅直流电刺激、经颅交流电刺激以及脑深部电刺激等方法，能够通过调节特定脑区或神经环路的活动，在一定程度上改善异常情绪和行为表型。由此表明，神经电刺激在情绪障碍干预领域具有一定的应用前景。

2、然而，现有神经电刺激装置通常依赖有线连接的植入式电极及外部供能系统，部分装置还需配合脉冲发生器使用，因而存在装置结构较复杂、植入创伤较大、长期使用不便及活动受限等问题。尤其是在慢性、持续性神经调控应用场景中，现有技术在微型化、无线化、柔性化以及长期植入适配性等方面仍存在不足。

3、此外，近年来虽然出现了一些无线神经刺激技术和柔性神经接口装置，但多数方案仍依赖专门的外部供能设备、无线传输模块或较为复杂的外围系统，存在供能方式复杂、系统集成度不高以及长期使用便利性不足等问题。同时，部分装置仍以深部刺激为主，未能兼顾浅层皮层刺激在降低植入创伤方面的潜在优势。因此，现有技术仍缺乏一种既能够减少植入损伤、又能够简化供能方式，并适于长期神经调控应用的微型无线电刺激装置。

4、基于此，开发一种无需额外供能、适于皮层刺激，并兼具微型化、柔性化和无线化特点的体耦合微型无线电刺激装置，成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有神经电刺激装置通常依赖内置电池、外接供能模块、专用无线发射设备或脉冲发生器，导致装置体积较大、结构复杂、续航受限以及长期使用不便的问题，本发明提供一种基于体耦合能量收集的微型无线电刺激装置及其制备方法。该装置利用生物体与环境工频电磁场之间的体耦合效应获取工频电信号，并通过全桥整流阵列将所述工频电信号转换为可用于生物电刺激的单向脉冲电刺激信号，从而在不设置内置电池、专用外接供能模块、脉冲发生器或脉冲控制器的条件下，实现微型化无线电刺激输出。

2、所述微型承载基底用于承载全桥整流阵列，并实现能量收集电极、全桥整流阵列和单端刺激电极之间的电连接。在一些实施方式中，所述微型承载基底包括柔性贴片和设置于所述柔性贴片上的柔性线路板。所述柔性贴片可以采用生物相容性柔性绝缘材料制成，包括但不限于聚酰亚胺、聚己内酯、聚二甲基硅氧烷、聚对二甲苯、热塑性聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、液晶聚合物或其组合。优选地，所述柔性贴片采用聚酰亚胺或聚己内酯材料制成，以提高装置的柔顺性、绝缘性、贴附性和植入适配性。所述柔性线路板上设置有用于连接能量收集电极、全桥整流阵列和单端刺激电极的导电线路及焊接部。

3、所述能量收集电极设置于所述微型承载基底上或由所述微型承载基底引出，并被配置为与生物组织接触，使生物体作为体耦合介质，将环境工频电磁场耦合至所述能量收集电极，从而在所述能量收集电极处获得工频电信号。所述单端刺激电极设置于所述微型承载基底上或由所述微型承载基底引出，并与所述全桥整流阵列的输出端电连接，用于与目标生物组织接触并输出经整流后的电刺激信号。所述电刺激信号经目标生物组织、生物体及接地环境形成刺激回路。

4、所述能量收集电极和所述单端刺激电极可以采用医用导电材料、柔性导电材料、金属导电材料、导电复合材料或具有导电暴露接触层的复合电极。所述能量收集电极和/或单端刺激电极的本体或暴露接触层材料包括但不限于铂铱合金、铂、铱、金、银、钛、钨、不锈钢、导电碳材料、导电聚合物、镀铂金属、镀金金属、镀银金属或其组合。优选地，所述能量收集电极和所述单端刺激电极可以采用银丝制成，所述银丝通过焊接或导电连接方式分别连接于所述全桥整流阵列的输入端和输出端。采用银丝作为优选方案时，具有导电性好、结构简单、易加工、易连接和便于微型化集成的优点；但本发明并不限于银丝电极。

5、在一些实施方式中，所述能量收集电极可以为线状、针状、片状、蛇形、环形、螺旋形、网格形、叉指形、弯折形、多孔结构或多点阵列结构中的一种或多种，以增大体耦合输入界面面积或提高组织接触稳定性。所述单端刺激电极可以为线状、针状、片状、微针式、柔性贴附式、点状暴露端、柱状暴露端或弯折植入端结构中的一种或多种，以适应不同目标组织的接触和刺激需求。

6、所述全桥整流阵列设置于所述微型承载基底上，并与所述能量收集电极电连接，用于对所述工频电信号进行整流。在一些实施方式中，所述全桥整流阵列包括四个整流器件，四个所述整流器件构成全桥整流结构。所述整流器件可以为二极管、肖特基二极管、低压降整流器件或其他具有单向导通功能的微型整流器件。优选地，所述整流器件为表面贴装二极管，四个所述表面贴装二极管设置于所述柔性线路板的焊接部上，以形成微型全桥整流阵列。

7、其中，所述能量收集电极与所述单端刺激电极分别位于所述微型承载基底的不同侧，或者分别由所述微型承载基底的不同侧引出，使所述能量收集电极形成的体耦合输入界面与所述单端刺激电极形成的电刺激输出界面空间分离。所述能量收集电极的连接端、全桥整流阵列和单端刺激电极的连接端集成于同一微型承载基底上，以形成一体化小型器件结构。

8、所述绝缘封装层至少包覆所述全桥整流阵列、所述能量收集电极与所述全桥整流阵列的连接部位、以及所述单端刺激电极与所述全桥整流阵列的连接部位，并保留所述能量收集电极的至少部分区域作为能量耦合暴露区，保留所述单端刺激电极的远端或至少部分区域作为刺激暴露区。所述能量耦合暴露区用于与第一生物组织界面接触以形成体耦合输入界面，所述刺激暴露区用于与第二生物组织界面接触以形成电刺激输出界面。

9、在所述能量收集电极作为单端体耦合输入端、所述生物体及接地环境作为回路路径的条件下，所述全桥整流阵列输出半波整流形式的单向脉动电刺激信号。所述环境工频电磁场的频率为50 hz或60 hz时，所述单向脉动电刺激信号的频率对应为50 hz或60 hz，并与所述环境工频电磁场的频率一致。因此，本发明无需额外设置脉冲发生器或脉冲控制器，即可获得处于生物电刺激可响应频率范围内的电刺激输出。

10、本发明还提供一种基于体耦合能量收集的微型无线电刺激装置的制备方法，包括以下步骤：

11、步骤一，制备微型承载基底。选用生物相容性柔性绝缘材料制备柔性贴片，并在柔性贴片上设置柔性线路板；或者直接采用柔性电路板作为微型承载基底。所述柔性线路板上形成用于连接能量收集电极、全桥整流阵列和单端刺激电极的导电线路及焊接部。作为优选方式，可以对柔性基材进行裁切、清洁和干燥除湿处理，得到柔性贴片；对柔性覆铜基材进行线路图形转移、显影蚀刻、退膜和焊盘表面处理，得到柔性线路板；再将柔性线路板与柔性贴片组装形成微型承载基底。

12、步骤二，制备全桥整流阵列。将四个整流器件通过焊接或导电连接方式连接于所述微型承载基底的对应焊接部上，形成全桥整流阵列。所述整流器件可以采用表面贴装方式固定于所述柔性线路板上。

13、步骤三，连接能量收集电极。将能量收集电极通过焊接或导电连接方式连接于所述全桥整流阵列的输入端，并使所述能量收集电极位于所述微型承载基底的一侧或由所述微型承载基底的一侧引出。

14、步骤四，连接单端刺激电极。将单端刺激电极通过焊接或导电连接方式连接于所述全桥整流阵列的输出端，并使所述单端刺激电极位于所述微型承载基底的另一侧或由所述微型承载基底的另一侧引出，使能量收集电极和单端刺激电极分别形成空间分离的体耦合输入界面和电刺激输出界面。

15、步骤五，进行绝缘封装。采用绝缘封装材料对所述全桥整流阵列、所述能量收集电极与所述全桥整流阵列的连接部位、以及所述单端刺激电极与所述全桥整流阵列的连接部位进行封装，并保留所述能量收集电极的至少部分区域作为能量耦合暴露区，保留所述单端刺激电极的远端或至少部分区域作为刺激暴露区。其中，所述能量耦合暴露区用于与第一生物组织界面接触以形成体耦合输入界面，所述刺激暴露区用于与第二生物组织界面接触以形成电刺激输出界面，且所述能量耦合暴露区与所述刺激暴露区位于所述微型承载基底的不同侧或分别由不同侧引出。

16、在上述装置结构及制备方法的基础上，为进一步评价所述基于体耦合能量收集的微型无线电刺激装置在生物组织接触、植入使用及神经调控应用中的适用性，本发明还提供一种用于评价所述微型无线电刺激装置相容性的方法，包括以下步骤：

17、将第2~5代的多个神经干细胞接种于所述基于体耦合能量收集的微型无线电刺激装置上，在增殖培养基中培养3天后，进行活死细胞染色；

18、使用脑立体定位技术将所述基于体耦合的柔性微型无线电刺激装置的刺激输出电极植入小鼠；

19、在植入7天后，对所述小鼠进行全身灌注和脑组织取材，使用1%—10%多聚甲醛固定后经脱水和石蜡包埋制备得到脑组织切片；

20、向所述脑组织切片中加入含有抗gfap一抗抗体、iba1一抗抗体和1%—5%bsa的溶液进行染色，洗涤后加入488和555二抗进行孵育，并加入dapi染色细胞核。

21、作为一种可选的技术方案，所述第3~5代的多个神经干细胞的获取步骤包括：

22、从小鼠的胚胎大脑皮层中分离神经干细胞，浸泡在含有dnase i酶和木瓜蛋白酶的dmem培养基中；

23、进行机械分离并使用细胞滤器过滤，重悬浮后去除上清液；

24、使用含有1%—5% b27、1%—5% n2、10-50ng/ml表皮生长因子、10-50 ng/ml成纤维细胞生长因子-碱性和1%—10%青霉素-链霉素的dmem培养基，在37℃、1%—10% 二氧化碳条件下进行培养；

25、在培养3代后纯化神经球，分离获得所述第3~5代的多个神经干细胞。

26、本发明还涉及一种用于评价基于体耦合能量收集的微型无线电刺激装置的干预效果的方法，包括以下步骤：

27、在噪声条件下每天暴露2-4小时，连续暴露2-8周，获取实验鼠；

28、使用脑立体定位技术在所述实验鼠的听皮层植入所述基于体耦合的柔性微型无线电刺激装置的刺激输出电极，在所述装置的外周包覆锡纸形成电磁屏蔽对照组；

29、将所述实验鼠置于声压级为30-90 db spl的环境中依次进行旷场实验、高架十字迷宫实验和明暗箱实验，并记录行为学数据；

30、采集所述实验鼠的全血样本并离心提取血清，采用酶联免疫吸附法检测所述血清中的皮质酮含量：

31、所述采用酶联免疫吸附法检测所述血清中的皮质酮含量包括：将标准品和待测的所述血清分别加入标准品孔和样品孔中，并加入酶标试剂在37℃下孵育20-50分钟；洗板后加入底物a和底物b在37℃下避光孵育5-30分钟；加入终止液并在450 nm波长下测定吸光度。

32、本发明所达到的有益效果：

33、（1）本发明装置能够在体耦合条件下采集环境中的工频电磁信号，并经整流后输出可用于生物电刺激的单向脉冲电刺激信号，无需外接供能装置，植入电池或脉冲发生器，简化了供能方式和装置结构，并实现持续、稳定的无线供能；

34、（2）本发明采用以听觉皮层为靶点的皮层电刺激策略，相较于深部脑刺激可降低植入深度，从而减轻手术创伤及组织损伤；

35、（3）本发明通过柔性贴片与微型整流模块的组合设计，提高了装置的柔顺性、贴附性及电连接稳定性，有利于长期神经调控应用；

36、（4）本发明装置在神经调控应用中表现出良好的生物相容性和干预效果，具有较好的应用价值。