一种面向神经调控的薄膜光电极及其制备方法和应用

1.本发明属于神经调控技术领域，具体涉及一种面向神经调控的薄膜光电极及其制备方法和应用。


背景技术：

2.电刺激在生物基础研究、神经科学、疾病治疗中发挥重要的作用。对于细胞水平的神经调控，电诱导装置通常涉及有源的电子电路布局，缺乏一定的时空分辨率。对于活体水平的神经调控，传统的非植入式电子设备(比如：经颅电刺激、磁刺激、超声刺激等)试图从体外用电场、磁场、超声等物理方式远程干预神经活体，其空间分辨率受到严重的制约，难以对特定区域、特定神经核团进行精准调控。此外，可植入式电子产品可以较好地靠近刺激靶点，提高刺激功效。但是，这类植入式电子产品通常涉及笨重的电源电路结构或需要外接电源供给，比如：迷走神经刺激器、脊髓刺激器等。这些电源电路的空间占据和贯穿组织的电线会引起不良的炎症反应。另外，不可降解的植入式电刺激装置在完成任务后不可避免地需要二次手术将其取出，具有潜在的二次感染和组织损伤风险。最后，有两种无线能量传输方式。第一种是超声转换电刺激，这类方式需要超声发射源与组织表面接触，转换效率受不同组织的构成影响较大；第二种是射频转换电刺激，转换效率受线圈耦合角度影响较大。
3.因此，迫切需要一种新的神经调控方式，实时地、精确地调控神经的兴奋和抑制取向。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术的不足，提供了一种面向神经调控的薄膜光电极，该薄膜光电极在生物组织环境中可以降解，且降解元素具有良好的生物相容性。在光照条件下，该薄膜光电极可以调控培养在其上的细胞的去极化和超级化膜电位，以及调控细胞钙信号的上升和下降；同时将所述薄膜光电极贴合在神经组织表面可以引起兴奋性或抑制性的神经活动。
5.为此，本发明第一方面提供了一种面向神经调控的薄膜光电极，其为单晶硅薄膜，且所述单晶硅薄膜上含有掺杂剂。
6.在本发明的一些实施方式中，所述掺杂剂为磷和硼中的任意一种；优选地，所述掺杂剂的掺杂量为(1～5)
×
10
14
ions/cm2。
7.在本发明的另一些实施方式中，所述单晶硅薄膜的厚度为2～5μm；和/或电阻率为1～10ω
·
cm。
8.本发明第二方面提供了一种制备如本发明第一方面所述的薄膜光电极的方法，其包括如下步骤：
9.s1，在绝缘顶上硅晶片的单晶硅层中掺入掺杂剂，退火后，获得掺杂的单晶硅薄膜；
10.s2，对所述掺杂的单晶硅薄膜进行刻蚀，获得所需形状的图形化的掺杂的单晶硅
薄膜；
11.s3，采用氢氟酸去除氧化物层，释放出所述图形化的掺杂的单晶硅薄膜，即为所述的薄膜光电极。
12.在本发明的一些实施方式中，步骤s1中，通过离子注入在所述单晶硅层中掺入掺杂剂。
13.在本发明的另一些实施方式中，步骤s1中，所述退火的温度为900～950℃，退火的时间为20～30分钟。
14.在本发明的一些实施方式中，步骤s2中，所述刻蚀通过光刻和反应离子刻蚀工艺进行。
15.本发明第三方面提供了一种集成薄膜光电极，其包括如本发明第一方面所述的薄膜光电极或第二方面所述方法制备的薄膜光电极，以及衬底。
16.在本发明的一些实施方式中，所述衬底为柔性衬底或硬质衬底。
17.在本发明的另一些实施方式中，所述衬底的材料为可降解的有机材料。
18.本发明第四方面提供了一种制备如本发明第三方面所述集成薄膜光电极的方法，其包括将所述薄膜光电极转移到涂敷胶层的目标衬底上，进而获得所述集成薄膜光电极。
19.在本发明的一些实施方式中，利用聚二甲基硅氧烷印章对所述薄膜光电极进行转移。
20.本发明第五方面提供了一种如本发明第一方面所述的薄膜光电极、或者第二方面所述方法制备的薄膜光电极、或者第三方面所述集成薄膜光电极、或者第四方面所述方法制备的集成薄膜光电极在神经调控中的应用。
21.本发明的有益效果为：本发明提供的面向神经调控的薄膜光电极具有如下优点：(1)所述薄膜光电极在生物组织环境中可以降解，且降解元素具有良好的生物相容性；(2)在光照条件下，所述薄膜光电极与溶液的接触面可被激发光致正方向或负方向的电场，相应地吸引溶液中的阳离子或阴离子；(3)在光照条件下，所述薄膜光电极可以调控培养在薄膜上细胞的去极化和超级化膜电位，以及调控细胞钙信号的上升和下降；(4)将所述薄膜光电极贴合在神经组织表面可以引起兴奋性或抑制性的神经活动。
附图说明
22.下面将结合附图对本发明作进一步说明。
23.图1为本发明所述集成薄膜光电极的实物图；其中图1-1为圆形薄膜光电极与柔性衬底结合，图1-2为圆形薄膜光电极与硬性衬底结合，图1-3为网格形状的薄膜光电极与硬质衬底结合。
24.图2为制备本发明所述集成薄膜光电极的流程图。
25.图3为薄膜光电极的培养的离体细胞光电刺激的示意图。
26.图4为薄膜光电极贴合在神经束上刺激的示意图。
27.图5为薄膜光电极贴合在小鼠大脑皮层上刺激的实物图。
具体实施方式
28.下面将对本发明进行详细说明。
29.如前所述，现有的基于电刺激的神经调控存在如下缺点：(1)有源电子电路的细胞电诱导缺乏一定的时空分辨率；(2)非侵入式神经在体刺激缺乏较高的空间分辨率；(3)笨重的、坚硬的植入式电极，以及带连接线的电源及其电路系统缺乏良好的在体生物相容性；(4)不可生物降解的电刺激装置存在二次手术所带来的风险；(5)超声和射频等无线神经调控方式存在原理上不足。本技术的发明人通过研究获得了一种新的面向神经调控的薄膜光电极，所述薄膜光电极为具有可降解特性和良好的生物相容性的掺杂的单晶硅薄膜，因此其在生物组织环境中可以降解，且降解元素具有良好的生物相容性；同时所述薄膜光电极能够产生光诱导的正/负电场，实现光诱发细胞的去极化和超极化，并调节细胞内的钙活动；此外，所述模板光电极还能在体内引起兴奋性或抑制性的神经活动。
30.因此，本发明第一方面所涉及的面向神经调控的薄膜光电极，其为单晶硅薄膜，且所述单晶硅薄膜上含有掺杂剂。
31.本发明中的单晶硅薄膜具有生物可降解特性和良好的生物相容性。同时通过在单晶硅薄膜上掺入掺杂剂能够提高薄膜光电极的光电转换效率。
32.在本发明的一些实施方式中，所述掺杂剂为磷和硼中的任意一种。
33.本发明中，当所述掺杂剂为磷时，所述单晶硅为p型；且掺杂剂的掺杂量为(1～5)
×
10
14
ions/cm2，优选为4
×
10
14
ions/cm2；掺杂能量为75kev。
34.本发明中，当所述掺杂剂为硼时，所述单晶硅为n型；且掺杂剂的掺杂量为(1～5)
×
10
14
ions/cm2，优选为4
×
10
14
ions/cm2；掺杂能量为30kev。
35.在本发明的另一些实施方式中，所述单晶硅薄膜的厚度为2～5μm；和/或电阻率为1～10ω
·
cm。
36.本发明中，所述单晶硅的晶向可以为100。
37.本发明第二方面涉及一种制备如本发明第一方面所述的薄膜光电极的方法，其包括如下步骤：
38.s1，在绝缘顶上硅晶片的单晶硅层中掺入掺杂剂，退火后，获得掺杂的单晶硅薄膜；
39.s2，对所述掺杂的单晶硅薄膜进行刻蚀，获得所需形状的图形化的掺杂的单晶硅薄膜；
40.s3，采用氢氟酸去除氧化物层，释放出所述图形化的掺杂的单晶硅薄膜，即为所述的薄膜光电极。
41.本发明中，所述绝缘顶上硅晶片(soi)包括单晶硅层，氧化物层和基底层。所述氧化物层位于单晶硅层和基底层之间。所述氧化物层例如可以为二氧化硅层，所述基底层例如可以为si衬底。
42.在本发明的一些实施方式中，步骤s1中，通过离子注入在所述单晶硅层中掺入掺杂剂。
43.在本发明的另一些实施方式中，步骤s1中，所述退火的温度为900～950℃，退火的时间为20～30分钟。
44.本发明中，通过退火可以激活所掺入的掺杂剂。
45.在本发明的一些具体实施方式中，所述退火的温度为950℃，退火的时间为30分钟。
46.在本发明的一些实施方式中，步骤s2中，所述刻蚀通过光刻和反应离子刻蚀工艺进行。
47.本发明第三方面涉及一种集成薄膜光电极，其包括如本发明第一方面所述的薄膜光电极或第二方面所述方法制备的薄膜光电极，以及衬底。
48.在本发明的一些实施方式中，所述衬底为柔性衬底或硬质衬底。
49.本发明中，所述薄膜光电极可以与柔性衬底集成(如图1-1所示)，进而提高整体器件的弯曲能力；所述薄膜光电极也可以硬质衬底集成(如图1-2所示)，所述硬质衬底例如可以为细胞玻璃爬片，用于细胞培养的光电调控。另外，所述薄膜光电极可以进行图形化设计(如网格形状)，然后将图形化薄膜光电极与硬质衬底集成(如图1-3所示)后，可以用于神经网络的定向生长的光电调控。
50.在本发明的一些实施方式中，所述衬底的材料为可降解的有机材料。通过调控有机材料的合成配比，优化整个集成器件的降解速率。
51.本发明第四方面涉及一种制备如本发明第三方面所述集成薄膜光电极的方法，其包括将所述薄膜光电极转移到涂敷胶层的目标衬底上，进而获得所述集成薄膜光电极。
52.在本发明的一些具体实施方式中，所述胶层可以为su-8胶层。通过所述胶层可以将薄膜光电极与目标衬底进行牢固的集成。
53.在本发明的一些实施方式中，利用聚二甲基硅氧烷(pdms)印章对所述薄膜光电极进行转移。
54.本发明中，制备所述集成薄膜光电极的方法的完整流程图如图2所示。
55.本发明第五方面涉及一种如本发明第一方面所述的薄膜光电极、或者第二方面所述方法制备的薄膜光电极、或者第三方面所述集成薄膜光电极、或者第四方面所述方法制备的集成薄膜光电极在神经调控中的应用。
56.本发明面向生物基础研究、神经科学、疾病治疗方向，开发了一种简易的、轻便的、柔性的可植入式薄膜光电极。利用所述薄膜光电极，通过远程光控的方式调控神经组织，具有较高的灵活性。在光照条件下，所述薄膜光电极的光致电场能调控离体细胞、神经束和浅层组织的神经活动，具有广泛的适用性，同时光致电场的正负性可以选择性调控兴奋性或抑制性的神经活动。所述薄膜光电极选用生物可降解的单晶硅材料构建而成，并集成可降解的有机材料控制整体器件的降解速率，具有在生物体内实现短期或长期光电刺激的可塑性。
57.实施例
58.为使本发明更加容易理解，下面将结合实施例来进一步详细说明本发明，这些实施例仅起说明性作用，并不局限于本发明的应用范围。本发明中所使用的原料或组分若无特殊说明均可以通过商业途径或常规方法制得。
59.实施例1：薄膜光电极的制备
60.通过离子注入向绝缘顶上硅晶片(soi)的单晶硅层(晶向100，电阻率1-10ω
·
cm，厚度～2μm)掺杂硼(剂量4
×
10
14
ions/cm2，能量30kev)，构建掺杂硼的硅晶片；通过离子注入向绝缘顶上硅晶片(soi)的单晶硅层(晶向100，电阻率1-10ω
·
cm，厚度～2μm)掺杂磷(4
×
10
14
ions/cm2，75kev),构建掺杂磷的硅晶片。将上述晶片分别清洗后，在950℃下退火30分钟，以激活掺杂剂。通过光蚀和反应离子蚀刻(功率100w,气体sif6，流量150sccm，气压
90mtorr，蚀刻速率20nm/s)获得所需形状的图形化的掺杂的单晶硅薄膜。样品在h2o:h2o2:nh4oh＝5:1:1(10分钟，80℃)中清洗后，在氢氟酸(49％hf,acs)中去除氧化硅层，释放所需形状的图形化的掺杂的单晶硅薄，进而分别获得掺杂剂为硼的薄膜光电极和掺杂剂为磷的薄膜光电极。
61.实施例2：集成薄膜光电极的制备
62.采用聚二甲基硅氧烷(pdms,dow corning sylgard 184kit,1:10重量比)印章和热释放胶带(no.3198,semiconductor equipment corp.)将实施例1制备的掺杂剂为硼的薄膜光电极和掺杂剂为磷的薄膜光电极分别转移柔性、透明的聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet，厚度～25μm)薄膜衬底上。在转印前，在衬底上旋涂5μm厚的环氧树脂(su8-3005)作为胶层。转移后，在110℃下烘干30分钟。最后，用丙酮、异丙醇和去离子水清洗，分别获得掺杂剂为硼的集成薄膜光电极和掺杂剂为磷的集成薄膜光电极。
63.实施例3：体外培养细胞的光电调控
64.在实施例1中制备的掺杂剂为硼的薄膜光电极和掺杂剂为磷的薄膜光电极分别培养大鼠背根神经节(drg)神经元，并使用全细胞贴片记录研究光诱导细胞的电生理特性(如图3所示)。将保持电位保持在-65mv，记录不同光照强度下细胞膜电位低于阈值的变化。
65.结果显示，在掺杂剂为硼的薄膜光电极上持续光照(持续5s)可提高细胞的膜电位，导致细胞去极化。相反，在掺杂剂为磷的薄膜光电极上类似的光照条件降低了细胞膜电位，导致细胞超极化。
66.另外，对培养在掺杂剂为硼的薄膜光电极和掺杂剂为磷的薄膜光电极大鼠背根神经节(drg)神经元进行了动态钙(ca
2
)成像。
67.结果显示，所记录的细胞内ca
2
荧光显示细胞活动的变化与去极化和超极化相关。对于培养在掺杂剂为硼的薄膜光电极上的大鼠背根神经节(drg)神经元，在光照下荧光增强。相反，光刺激用于培养于掺杂剂为磷的薄膜光电极上的大鼠背根神经节(drg)神经元，减少钙离子荧光，表明细胞活性受到抑制。
68.结论：在光照下，薄膜光电极的光致电场作用于背根神经细胞可以选择性调控细胞膜电位的去极化或超极化，以及钙信号的上升或下降。
69.实施例4：神经束上的光电调控
70.采用野生型小鼠(c57bl/6，6周龄)。在手术过程中，用2％异氟醚平衡氧麻醉动物，通过揭开周围结缔组织暴露坐骨神经而未损伤肌肉。将实施例2制备的掺杂剂为硼的集成薄膜光电极和掺杂剂为磷的集成薄膜光电极分别包裹在不同小鼠的暴露的坐骨神经上，且所述集成薄膜光电极的硅表面被一层薄薄的金纳米粒子装饰，以减小硅/组织阻抗，并增强光电刺激的有效性。一束激光(635nm)远程入射到集成薄膜光电极的硅表面上(如图4所示)，并将记录电极扎入后肢肌肉的相关位置，记录由神经传导的肌肉收缩。
71.结果显示，光照照射在掺杂剂为硼的集成薄膜光电极的硅表面引发复合肌肉动作电位(cmaps)并导致后肢抬起。这种行为可以解释为光学激发的掺杂剂为硼的薄膜光电极在神经纤维中诱导更多的正电荷，导致细胞去极化并引发cmaps和后肢抬起。相反，光照照射在掺杂剂为磷的集成薄膜光电极的硅表面，产生的神经负电荷可以阻断从近端到远端位置的正电荷信号传递，抑制cmaps。
72.结论：通过薄膜光电极的光电场作用于坐骨神经，可以调控后肢肌肉收缩的变化。
73.实施例5：浅层神经组织上的光电调控
74.采用戊巴比妥钠(80-100mg/kg)深度麻醉野生型小鼠(c57bl/6，2 3个月)，置于立体定位框架中。在大脑皮层上进行皮肤切口以暴露颅骨。用牙科水泥将不锈钢固定螺钉连同铲形末端固定在颅骨上，硬化至少30分钟。随后将螺钉安装到光学柱中，用于固定鼠标头部进行手术。用牙钻在运动皮质和体感皮质上钻一个直径约3mm的孔，然后剥离硬脑膜，使皮质完全暴露出来。在实验过程中，将0.9％的生理盐水涂抹在暴露的皮质区域，以防止脱水。将实施例2制备的掺杂剂为硼的集成薄膜光电极和掺杂剂为磷的集成薄膜光电极分别贴合在不同小鼠暴露的大脑皮层上，激光束(473nm)入射到所述集成薄膜光电极的硅表面上(图如5所示)，将多通道记录电极扎入薄膜光电极正下方的组织里面，记录大脑皮层内部的神经活动。
75.结果显示，光照照射在掺杂剂为硼的集成薄膜光电极的硅表面诱发大脑皮层产生光电激活兴奋信号；相反，光照照射在掺杂剂为磷的集成薄膜光电极的硅表面，诱发大脑皮层产生光电抑制信号。
76.结论：在光照下，薄膜光电极的光致电场作用于大脑皮层可以调控大脑皮层内部神经活跃程度。
77.应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。