(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210809837.5 (22)申请日 2022.07.11 (71)申请人 中国科学院空天信息创新研究院 地址 100190 北京市海淀区北四环西路19 号 (72)发明人 徐世弘　蔡新霞　罗金平　何恩慧　 张奎　宋轶琳　刘瑶瑶　杨燕　 (74)专利代理 机构 北京科迪生专利代理有限责 任公司 1 1251 专利代理师 李晓莉 (51)Int.Cl. C12M 3/00(2006.01) C12M 1/42(2006.01) C12M 1/36(2006.01) C12M 1/00(2006.01)C12Q 1/02(2006.01) B01L 3/00(2006.01) G01N 27/00(2006.01) (54)发明名称 一种多层级联的神经网络微流控芯片及其 制备方法 (57)摘要 本发明公开了一种多层级联的神经网络微 流控芯片及其制备方法， 涉及传感器制造技术。 该芯片系统由用于电生理检测与调控的微电极 阵列芯片和用于分区培养神经元网络的微流控 芯片构成， 微电极阵列芯片包括微电极、 对电极 等部件； 微流控芯片包括多个细胞培养槽、 多组 连接培养槽的微沟道以及突触控制室等部件。 本 发明芯片集成化， 具备分区域培养不同神经元网 络的功能和同时空检测与调控神经元网络的能 力， 不同区域的神经元网络在相连的微通道中形 成定向互连， 可简单模拟大脑神经网络之间的连 接关系； 通过突触控制室可以实现对突触进行精 确调控； 底部的微电极可以用于检测神经元网络 受到刺激调控后电活动的变化。 权利要求书2页 说明书7页 附图4页 CN 115216405 A 2022.10.21 CN 115216405 A 1.一种多层级联的神经网络微流控芯片， 其特征在于， 所述神经网络微流控芯片包括 两层子芯片： 第一层子 芯片和第二层子 芯片， 其中第一层子芯片为第一层微电极阵列芯片， 第二层子芯片为第二层微 流控芯片； 第一层微电极阵列芯片包括： 绝缘基底(1)、 多个微电极(2)、 对电极(3)、 连接导线(4)、 接触位点(5)及绝缘层(6)； 所述绝缘基底(1)是整个神经网络微流控芯片 的载体； 微电极 (2)分四组， 微电极位于微沟道(8)的两侧； 每组微电极(2)周围都设有对电极(3)； 对电极 (3)和微电极(2)均通过连接导线(4)延伸并连接到绝缘基底外围的接触位点(5)； 所有 连接 导线(4)表面均覆盖有绝 缘层(6)； 第二层微流控芯片包括： 五个细胞培养槽(7)、 四组用于连接不同细胞培养槽的微沟道 (8)以及一组用于调控突触的突触控制室(9)； 所述微流控芯片中的五个细胞培养槽(7)用 于培养神经细胞； 突触控制室(9)能够用于对微沟道(8)中的生长的突触进 行化学或物理学 上的调控造模； 在键合工艺下完成所述芯片的微电极阵列芯片与微 流控芯片的封装。 2.根据权利要求1所述的神经网络微流控芯片， 其特征在于： 所述绝缘基底(1)的材料 选用石英玻璃； 微电极(2)的材料是具备生物相容性的导电薄膜， 优选地所述微电极(2)的材料是为 金、 铂、 氮化 钛、 铟锡氧化物和纳米线其中之一； 绝缘层(6)所使用材料为具备生物相容性的绝缘材料， 优选地绝缘层(6)所使用材料为 二氧化硅、 氮化硅和SU8之一。 3.根据权利 要求1所述的神经网络微流控芯片， 其特征在于： 所述微电极直径为5 μm ‑30 μm， 微电极间距为5 0‑500 μm。 4.根据权利要求1或3所述的神经网络微流控芯片， 其特征在于： 所述微流控芯片的五 个细胞培养槽(7)相互独立， 仅通过宽度5 ‑15 μm， 高度5 ‑15 μm的微沟道(8)相连接， 因此可以 将培养在不同细胞培养槽(7)的神经元网络可以看作仅通过轴突与树突相连接的独立神经 元网络， 可将其模拟成大脑中的独立网络 。 5.根据权利要求1或3所述的神经网络微流控芯片， 其特征在于： 所述第二层微流控芯 片的材质是 具有生物相容 性的聚甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯。 6.根据权利要求1所述的神经网络微流控芯片， 其特征在于： 所述第 二层微流控芯片的 细胞培养槽(7)为 圆孔， 直径为4 ‑8mm； 微沟 道(8)分四组， 每组10 ‑30条沟道， 长度400 ‑900 μ m， 用于连接细胞培 养槽。 7.根据权利要求1所述的神经网络微流控芯片， 其特征在于： 所述第 二层微流控芯片的 突触控制室(9)有大小不同的两个圆形调控室， 直径 为1‑4mm， 两者通过一条宽为20 ‑50 μm的 沟道相连接 。 8.根据权利要求1所述的神经网络微流控芯片， 其特征在于： 第 一层微电极阵列芯片与 第二层微流控芯片通过加热键合或者等离子键合的方式在对准仪器上将两个芯片进行贴 合。 9.制备如权利要求1 ‑8任一项所述的神经网络微流控芯片的方法， 其特征在于， 包括制 备第一层微电极阵列芯片和制备第二层微 流控芯片； 制备第一层微电极阵列芯片， 包括如下步骤：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115216405 A 2(1)清洗玻璃基底， 获得表面清洁的绝 缘基底(1)； (2)在经过清洗过的绝缘基底(1)上旋涂一层光刻胶， 厚度 为1‑2 μm， 光刻显影后形成微 电极(2)、 对电极(3)、 连接导线(4)和接触位 点(5)的图案； (3)在光刻胶图案化的表面通过溅射沉积一层铂或金导层； 可选地可预先溅射钛种子 层， 用于增 加导电层与基底的粘附性； (4)采用剥离工艺在有机溶剂中去除多余的导电层， 留下所需的微电极(2)、 对 电极 (3)、 连接导线(4)和接触位 点(5)； (5)通过等离子体增强的化学气相沉积的方法在基底上沉积氧化硅或氮化硅绝缘层 (6)； (6)通过光刻和等离子束刻蚀的方法， 暴露出微电极(2)、 对电极(3)和接触位点(5)， 保 留所有连接导线(4)表面覆盖的绝 缘层； 制备第二层微 流控芯片， 包括如下步骤： (1)在经过清洗过的硅片上旋涂光刻胶， 图形化出用于后续光刻的对准标记， 接着通过 溅射铂在硅片上生成对准标记； (2)采用光刻 胶通过光刻的工艺在硅片上光刻出微沟道(8)； (3)在硅片上光刻出细胞培 养槽(7)与突触控制室(9)； (4)光刻完毕后， 在热板上加热完成坚模工艺， 获得制作好的模具； (5)将PDMS预 聚物和催化剂 混合倒入装模具的培养皿中， 在真空干燥器中去除气泡后， 加热固化； (6)将微流控器件从模具中分离， 并用打孔器在微流控器件中制作出细胞培养槽(7)与 突触控制室(9)。 10.根据权利要求9所述的方法， 其特征在于， 所述方法还包括如下步骤： 完成上述工艺 后， 将第一层微电极阵列芯片与第二层微流控芯片在氧离子清洁机中进行表面活化； 活化 后在对准仪器中间第一层微电极阵列芯片与第二层微流控芯片对齐获得最终的神经网络 微流控芯片。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115216405 A 3