一种基于碳纳米管/导电聚合物的神经元探针及其制备方法

摘要

本发明公开了一种基于碳纳米管/导电聚合物的神经元探针及其制备方法，通过电泳沉积和电化学脉冲聚合的方法，制备出表面修饰三维多孔网络结构碳纳米管/导电聚合物复合物的神经元探针。首先采用多价金属离子转换CNT表面电负性，随后采用电泳法在基底电极表面沉积CNT涂层，制备孔径可控的CNT三维网络；再采用电化学脉冲聚合法在CNT束表面同轴包覆CP，形成具有三维多孔纳米结构的复合涂层。本发明的神经元探针表面具有三维纳米级的多孔网络结构，具有高导电性、优良的电化学性能和良好的细胞相容性，且探针表面的复合修饰层与基材之间粘附力增强，可以满足神经修补元件对电极材料纳米功能化的需要。

说明书

技术领域

本发明属于新型生物材料技术领域，涉及一种神经元探针及其制备方法，具体涉及一种孔径可控的碳纳米管（CNT）/导电聚合物（CP）神经元探针及其制备方法，所修饰的神经元探针具有良好的电化学性能和优异的细胞相容性，可应用于中枢神经系统信号的输出和写入。

背景技术

神经元探针的主要功能是神经动作电位记录与信号传送，其性能取决于信号记录点与神经组织间的接触情况和阻抗大小。由于生物电信号幅度小，信号源内阻大，神经元探针与神经元细胞接触的界面在信号灵敏性、生物相容性和长期有效性等方面面临挑战。相比于三维网络结构的神经突，普通探针表面近似于一个二维平面，与神经组织有效接触面积较小，从而影响探针与神经组织的结合；坚硬锋利的探针材料和柔软的中枢神经组织两者的机械性能存在巨大差别（神经电极模量为100GPa、中枢神经海马组织100kPa），组织与电极间粘着应变不匹配引起电极周围组织发炎，形成伤痕组织，阻碍电极与神经元间的信号传递。

自上世纪90年代初期CNT问世以来，其相关的应用研究越来越多。CNT的直径分布均匀，达几十纳米级，长度可达微米，其物理尺寸与神经元突触匹配，其独特的内部结构，高比表面积，优良的机械强度，化学稳定性及电子电导率等性能，使CNT作为一种极具前景的新型材料适用于神经组织相关应用中。

另外CP由于本身良好的导电性，亦是一种应用广泛的生物探针修饰材料。但值得注意的是，CP机械性能差，延展性不好。CP膜在掺杂/去掺杂过程中，由于体积变化，如膨胀或收缩，而导致的破裂或者脱粘，会严重影响其导电性能，且在掺杂离子进入、脱出循环过程中电化学性能也会出现下降。而CNT较好的机械性能（杨式模量高达1800 GPa，拉伸强度为150 GPa，断裂延伸率为15％）和导电性能（5000 s/cm）恰好弥补了这方面的不足。因此，将两者结合起来形成的CNT/CP复合材料，通过协同效应将各自良好的电性能、电化学性能和机械性能结合而呈现出新的优异性能。

CNT在大多数溶剂中难以处理和溶解分散，而酸化纯化后，CNT末端和侧壁会带羧基，即共价功能化，使其很好地分散在水溶液和其他有机溶液中。CNT分散液可与各类CP单体（吡咯，苯胺，噻吩等）组成混合溶液，从而电化学共沉积在电极上。该方法制备简单，在电化学聚合中CNT充当阴离子掺杂剂，电化学共沉积将CNT并入CP阵列。但该方法制备的CNT/CP膜，形成的孔径难以控制，缠绕紧密，神经突难以生长进入其中从而与电化学性能优良的CNT帽端接触，因此并不适用于神经元探针的制备。采用丝网印刷法和滴涂法将CNT分散液直接涂抹在电极表面，亦可将CNT直接固定在电极上修饰电极，但是这些方法制备的CNT膜呈致密的毡状结构，神经突仍难以进入。此外，该方法制备的CNT膜与基底电极表面之间的附着力很差，电极植入使用过程中，很可能引起膜的破裂甚至直接脱落。而后来提出的改进方法，如用CVD法制备定向生长的CNT阵列，所有CNT取向基本一致，缠绕较少。但该方法制备条件比较苛刻，所需温度过高（800—1000℃），对电极基底要求严格，制备成本大大增加，且CNT阵列生长密度过大，也不适合神经突的渗透与生长。因此，必须开发新的方法以制备孔径可控，且与基底电极粘附力良好的CNT/CP复合涂层修饰电极。

发明内容

本发明为满足神经纳米电极材料的应用要求而设计、制备一种基于CNT/CP的神经元探针，该探针表面修饰CNT/CP纳米复合材料，具有三维纳米多孔网络结构，其孔径可控且具有高比表面、优良的电化学性能和细胞相容性，同时复合涂层与基底电极界面之间具有较强的粘接作用。因此，基于本发明的孔径可控的CNT/CP神经元探针，可实际应用于神经纳米电极等相关神经元器件中，满足神经突生长的物理条件与空间条件以及信号记录的灵敏性与长期性、提高神经元探针使用有效性等特种要求。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于碳纳米管/导电聚合物（CNT/CP）的神经元探针，包括基底电极，其特征在于，在基底电极表面修饰具有三维多孔网络结构的CNT/CP纳米复合材料：首先采用电泳法在基底电极表面沉积CNT，CNT集束后构成三维多孔网络结构的CNT网络涂层；随后采用电化学脉冲聚合法在CNT网络上沉积CP，在CNT管束表面同轴包覆（即CP包覆在CNT管束表面，包覆后的CP层与CNT管束具有同轴结构的形式），形成具有三维多孔网络结构的纳米CNT/CP神经元探针。

所述的CNT优选为单壁碳纳米管（SWNT）。

所述的神经元探针中CNT管束的直径为10-20 nm，CP包覆在CNT管束上厚度为3-6 nm。

所述的神经元探针中，基底电极表面修饰的CNT/CP所形成的三维多孔网络的孔径可控，直径范围控制在30-150 nm。

本发明还涉及所述的神经元探针的制备方法，即一种孔径可控的基于CNT/CP的神经元探针的制备方法，其特征在于，首先在CNT分散液中添加多价金属离子，采用电泳法在基底电极表面沉积CNT形成三维多孔网络CNT涂层（通过控制沉积液中多价金属离子的种类和含量，可制备不同孔径的CNT网络涂层）；然后采用电化学脉冲聚合法在CNT网络上沉积CP，同轴包覆在CNT管束表面，在基底电极表面形成具有三维多孔结构的CNT/CP纳米复合网络，即制得所述的基于CNT/CP的神经元探针。

本发明的方法采用多价金属离子将表面负电性的CNT转换为正电性，再采用电泳法在电极表面沉积CNT涂层，制备不同孔径的CNT三维网络；最后采用电化学脉冲聚合法在CNT束表面同轴包覆CP，形成具有三维多孔网络结构的CNT/CP纳米复合涂层。通过添加多价金属离子至CNT分散液中，CNT会选择性吸收溶液中的金属离子，形成稳定的正电性胶体。在稳定的电场作用下，这些带电胶体粒子移向电极负极端，随后由于电极表面与胶体粒子之间的电子交换作用，CNT会以均匀的三维网络形式沉积在阴极电极上。多价金属离子的品种和浓度不同，CNT之间及其与电极间的相互作用亦不同，沉积在电极表面的CNT网络孔径也会随之变化，因而通过控制沉积液中多价金属离子的品种和浓度，可制备孔径可控的CNT三维网络。在此基础上，进一步采用电化学脉冲聚合法在覆盖有CNT三维网络的电极上沉积CP，CP与CNT之间的手性共轭作用将引导CP大分子链沿CNT轴螺旋生长，形成具有同轴结构的CNT/CP复合网络。此外，为有效地控制CP的厚度与均一性，聚合工艺采用电化学脉冲聚合，通过控制导通电流时间和脉冲周期数，达到分步沉积的目的，从而得到均匀规整的CP涂层。最终制备得到孔径可控的CNT/CP复合纳米材料修饰的神经元探针。

具体地，本发明的方法包括以下步骤：

a) 将纯化处理后的CNT分散于乙醇溶液中，添加多价金属离子形成电解液，在基底电极表面电泳沉积CNT形成三维多孔网络CNT涂层，然后浸泡冲洗除去共沉积的多价金属离子，制备CNT修饰探针；

b) 步骤a)得到的CNT修饰探针干燥后，在其表面采用电化学脉冲聚合法沉积CP；采用三电极体系，所述的CNT修饰探针为工作电极，在电解质和CP单体混合水溶液中进行电化学脉冲聚合，在基底电极上的三维多孔网络CNT涂层表面聚合形成CP层，CP同轴包覆CNT管束，即制得所述的基于CNT/CP的神经元探针。

所述的多价金属离子包括但不限于Al³⁺、Ni²⁺、Co²⁺、Mg²⁺等，优选 Al³⁺、Ni²⁺。电解液多价金属离子浓度0.1～2mM，优选0.2～1mM。

优选地，所述的步骤a)中，电解液中CNT浓度为0.01～0.2 mg/mL；电泳沉积的电压和时间为50～200V，5～60min。

优选地，所述的步骤b)中所述的电化学脉冲反应过程中，沉积时间（t_on）为2-30 s，停止时间（t_off）为30-600 s，脉冲次数为10-60次。

所述的三电极体系中，可选用铂丝电极作为对电极，Ag/AgCl作为参比电极。

所述的CP单体可选自苯胺、吡咯、噻吩，或是它们的衍生物。

与现有技术相比，本发明突出的优点及有益效果：

（1）本发明的基于CNT/CP的神经元探针表面的CNT/CP三维网络具有多孔结构性质，且孔径可调，与传统滴涂法制备的CNT涂层相比，神经元探针表面孔径与神经突触尺寸相匹配，满足细胞生长的拓扑学要求。CNT/CP三维多孔网络结构与神经细胞可形成一种空间交叉型亚细胞界面，这样在结构上会出现很大程度的自由空间，优化了组织培养，更适合神经细胞生长。良好的细胞相容性使神经元探针有望实现长期植入。

（2）本发明的基于CNT/CP的神经元探针由于保存了CNT的三维多孔网络结构，其电子传送通道没有受到其他物质的影响，同时CP大分子链沿CNT轴螺旋生长，进一步提升了神经元探针的导电性能，与尺寸相同的裸金属电极以及仅仅沉积相同CNT涂层相比，复合电极的导电性大幅度增加，具有高载流能力，可满足神经探针使用要求。

（3）本发明的基于CNT/CP的神经元探针与探针基底之间粘附作用良好，两者结合力强，远远好于传统滴涂法制备的CNT涂层。提升的界面粘接性能可保证探针长期使用有效性。

（4）本发明的基于CNT/CP的神经元探针制备简单，三维多孔网络孔径可控，不需要添加复杂的致孔剂以及相关工艺模板即可达到孔径可控的目的，因此在实验和应用方面降低了成本，更具应用价值。

附图说明

图1  为本发明的基于CNT/CP的神经元探针形成过程示意图。

图2  为实施例1制备的神经元探针表面的CNT网络（a）和CNT/CP（b）复合材料的扫描电子显微镜照片。

图3  为实施例2制备的神经元探针表面的CNT网络（a）和CNT/CP（b）复合材料的扫描电子显微镜照片。

图4  为实施例3制备的神经元探针表面的CNT网络（a）和CNT/CP（b）复合材料的扫描电子显微镜照片。

图5  为实施例4制备的神经元探针表面的CNT网络（a）和CNT/CP（b）复合材料的扫描电子显微镜照片。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步说明，但有必要指出以下实施例只用于对发明内容的描述，并不构成对本发明保护范围的限制，本发明保护范围以权利要求为准。

实施例1

一种基于碳纳米管/导电聚合物（CNT/CP）的神经元探针及其制备，包括CNT修饰探针的制备和CP同轴包覆CNT。

CNT修饰探针在基底电极表面的CNT三维多孔网络是通过单壁碳纳米管（SWNT）分散液（含多价金属离子）的电泳沉积来实现的。

SWNT采用混酸纯化，在100 mg 的SWNTs中加入60 mL混酸（浓H₂SO₄：浓HNO₃ =3:1 V/V），混合液在水浴中超声4 h。所得溶液立即用大量的去离子水稀释至1000 mL，用孔径为0.22 μm的聚四氟乙烯（PTFE）膜进行过滤，在200 mL丙酮中超声分散10 min，除去其中含有的有机杂质后抽滤。再在200 mL无水乙醇中超声分散，过滤，乙醇中洗涤重复2次，最后分散在100 mL的乙醇中。然后将得到的SWNT/乙醇分散液在10000 r/min的转速下离心30 min，取上层清液。分散液标定浓度约为SWNT 0.5 mg/mL。

配制0.1 M的Al(NO₃)_3 ?9H₂O，在装有9 mL乙醇的小瓶中，加入50 μL的Al(NO₃)_3 ?9H₂O，充分震荡摇匀后，用注射器取1 mL的上述SWNT/乙醇分散液，边加边搅拌，使之混合均匀。最终SWNT分散液浓度为SWNT 0.05 mg/mL，其中Al³⁺浓度为0.5mM。

金属电极清洁活化处理后作为电泳沉积的阳极和阴极，分别连接电泳仪的正极和负极，两电极之间的距离约为1 cm，取上述配制好的分散液1 mL作为电解液，接通电流，在200 V的电压下电泳沉积15 min，可观察到电解液中的SWNT快速向阴极沉积。磷酸和乙醇浸泡冲洗，除去共沉积的Al³⁺离子，制得CNT修饰探针。

以制备的CNT修饰电极为工作电极，在0.1 M 对甲基苯磺酸钠和 0.02 M吡咯混合水溶液中，采用电化学脉冲聚合在CNT网络表面沉积CP。电化学聚合采用三电极体系，CNT修饰电极作为工作电极，Ag/AgCl作为参比电极，铂丝电极作为对电极。聚合电位0.75 V，聚合5 s后当电位降至0 V时，设置保持600 s作为一个循环（即t_on=5 s, t_off=600 s），共聚合12次，即12个循环，总的聚合时间为60 s，得到聚吡咯（PPy）包覆的CNT/CP复合电极，将其在空气中干燥，即制得所述的基于碳纳米管/导电聚合物（CNT/CP）的神经元探针。

制备的基于碳纳米管/导电聚合物（CNT/CP）的神经元探针性能参数：

CNT管束直径约为13.0 nm，PPy同轴涂层厚度约为3.3 nm，CNT/CP复合材料孔径约为40 nm。

 实施例2

按照与实施例1基本相同的方法制备CNT/聚苯胺（PAN）修饰的神经元探针。

配制0.1 M Ni(NO₃)_2 ?6H₂O替代Al(NO₃)_3 ?9H₂O电泳沉积CNT。

以制备的CNT修饰电极为工作电极，在0.1 M 对甲基苯磺酸钠和 0.05 M苯胺混合水溶液中，采用电化学脉冲聚合在CNT网络表面沉积CP。电化学聚合以电化学工作站进行，采用三电极体系，CNT涂层电极作为工作电极，Ag/AgCl作为参比电极，铂丝电极作为对电极。聚合电位0.75 V，聚合5 s后当电位降至0 V时，设置保持600 s作为一个循环（即t_on=5 s, t_off=600 s），共聚合12次，即12个循环，总的聚合时间为60 s，得到PAN包覆的CNT/CP复合电极，将其在空气中干燥，即制得所述的基于碳纳米管/导电聚合物（CNT/CP）的神经元探针。

制备的基于碳纳米管/导电聚合物（CNT/CP）的神经元探针性能参数：

CNT直径约为13.0 nm，PAN厚度约为5.2 nm，孔径约为30 nm。

 实施例3

按照与实施例1基本相同的方法制备CNT/聚吡咯（PPy）修饰的神经元探针。其中的电解液中Al³⁺浓度调整为1.5mM，其他条件不变。

制备的基于碳纳米管/导电聚合物（CNT/CP）的神经元探针性能参数：

CNT管束直径约为13.0 nm，PPy同轴涂层厚度约为3.3 nm，CNT/CP复合材料孔径约为60 nm。

 实施例4

按照与实施例1基本相同的方法制备CNT/聚吡咯（PPy）修饰的神经元探针。其中的电解液中Al³⁺浓度调整为2.0mM，其他条件不变。

制备的基于碳纳米管/导电聚合物（CNT/CP）的神经元探针性能参数：

CNT管束直径约为13.0 nm，PPy同轴涂层厚度约为3.3 nm，CNT/CP复合材料孔径约为80 nm。