聚酰亚胺基柔性神经微电极的优化

　　在神经工程系统中,神经电极作为神经-电子的接口,扮演着关键的角色.它的功能主要表现为两种形式:一种是记录神经活动的电信号;另一种是利用电信号激励或抑止神经活动以实现功能性电刺激. 目前,基于MEMS技术的植入式微电极从基质材料上可以大致分为柔性和刚性两类.刚性微电极主要基于硅基材料,具有良好的生物相容性,且具有与 CMOS的微电子加工工艺兼容的优势,但是材料的脆性和刚性容易导致被植入体运动时产生严重的组织损伤或者由于电极的移位而失去功能.特别是对于一些具有曲面形貌的神经组织,刚性电极往往因不能很好地贴附于神经组织的表面而使其应用受到限制.为确保微电极在活体中稳定、有效地工作,越来越多的研究者开始采用聚合物作为基底材料来制作柔性植入式神经微电极.最常用的是聚酰亚胺 (polyimide,简称PI)和聚对二甲苯两类聚合物材料,它们不仅具有很好的生物相容性和微加工工艺兼容性,而且具有良好的力学性能和介电性质.

　　本课题组曾制作了基于PI的柔性神经微电极[1-4].为进一步促进此类柔性神经微电极的实用化乃至产业化,本文在前期工作的基础上,针对动物视网膜刺激的具体应用领域,对柔性神经微电极进行了优化:①改进了柔性神经微电极的结构;②增强了电极金属层的黏附性;③降低了微电极的界面阻抗.此外,对优化后的微电极进行了活体动物刺激实验.

　　1　方法和实验

　　1·1　材料、仪器和试剂

　　微电极基质材料采用Durimide 7510光敏型聚酰亚胺(美国Arch Chemicals公司).微电极电学性能测试采用金属铂电极(213型)作为对位电极,Ag/AgCl电极(218型)作为参比电极,上述电极均购自上海索神电子仪器有限公司.测试仪器采用Agilent 4294精密阻抗分析仪(美国Agilent Tech-nologies公司).

　　电极表面采用空气等离子体处理(PDC-M型等离子体清洗机,成都铭恒科技发展有限公司).采用超声振荡剥离方法(SCQ150型超声清洗机,上海声浦超声设备厂)评测金属层与PI的黏附强度.

　　1·2　微电极的结构优化

　　本文拟定的神经微电极刺激对象是兔子眼球中的视网膜.视网膜上视轴正对的终点区域为黄斑区,是视网膜上视觉最敏锐的特殊区域,直径约1~3mm.黄斑区的中央有一小凹,即中心凹,它是视力最敏锐的地方.黄斑区靠鼻侧约3 mm处有一直径为1·5 mm的淡红色区,称为视盘,该区域无感光细胞,故视野上呈现为固有的暗区,称为生理盲点.

　　综上所述,视网膜是一曲面膜,因此为保证微电极在视网膜上形成良好的接触,需在柔性微电极上制作一些起固定作用的结构(实验拟定采用钛铆钉将微电极铆接在视网膜上).同时,由于黄斑区(直径约1~3 mm)是视网膜上视觉最敏锐的区域,所以微电极的刺激区域应约为2 mm×2 mm,以便有效地覆盖并刺激黄斑区,尤其是中心凹区域.微电极的引线长度应大于2 cm,以方便微电极的手术植入及在眼球外进行焊点区引线的导出.