用于视觉修复的柔性神经微电极阵列的电学性能表征

用于视觉修复的柔性神经微电极阵列的电学性能 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 征 仪 器 仪 表 学 报. .第 卷 第 期. 年 月 用于视觉修复的柔性神经微电极阵列的 电学性能表征术 吴义伯 ,徐爱兰 ,惠 春 ,任秋实 ,李 刚上海交通大学生命科学技术学院 上海 ; 上海交通大学微纳科学技术研究院微米/纳米加工技术国家重点实验室 上海; 中国科学院上海微系统与信息技术研究所纳米技术研究室 上海 摘 要:用于视网膜修复的神经微电极阵列 是当前国内外研究的热点问题之一。本文提出了一种以新型材料??聚 对二甲苯为基底的柔性神经微电极,采用 技术设计了其微加工工艺,并使用电化学分析手段对制作的柔性微 电极性能进行了表征。结果表明,基于 柔性微电极阵列的阻抗值在中频段呈现高通特性,其阻抗值及相位角分别为 ~ 和一 。,有利于实现植入式视觉假体系统对视神经进行功能性电刺激。 关键词:柔性微电极阵列;聚对二甲苯;视觉修复;微加工工艺;电化学方法 中图分类号: . 文献标识码: 国家标准学科分类代码:. , , ,, ,, , ,,; / , , , ,, , :. ,. ?..?~ .一 。. ,. : ;; ; ; 会引起视网膜感光器丧失而导致失明?。研究表明,当 对患者的视网膜、视神经甚至大脑视皮层进行适当的电 引 言 刺激时,患者的视觉映像中会有光感出现 。这一现象 当前,全世界有近数以百万计的眼盲患者,其中有 为眼盲患者的视觉功能修复提供了新的研究方法。在人 %的致盲原因是由于视网膜受损,主要包括视网膜色 工视觉假体植入的研究中,微电极阵列 素变性 ,和老年黄斑变性 ??, 已经被公认为建立功能性电刺激? , , 这两种视网膜变性疾病, 来记录神经信号或激励神经 收稿日期: :基金项目:国家重点基础研究发展计划项目资助仪 器 仪 表 学 报 第 卷 元的关键生物微器件 。 自从 世纪 年代 等人 成功研制出神沉积甩胶,光刻 经微电极阵列以来,随着微电子技术及眼科显微手术的 发展, 已经取得了较快的发展 。但是,国内存 此领域刚刚起步 一。传统的微电极制作方法是利用尖 端金属丝或微玻璃管进行神经记录或刺激,这类电极加 溅射金属 工起来比较困难,难以大批量制作,载体的生物相容性、 长期稳定性较差 。近儿年来,采用聚酰亚胺?作为衬底材料制作出的微电极 成为视觉假体植入研 刻蚀 胶,光刻 究的热点 ,虽然 在一定程度上克服了传统电 极的缺点,但它在介电损耗、吸水性以及抗拉强度和杨式 模晕等性能上存在着一定局限性“ ,人们希望找到一种 暖蜀 口 匿叠 圈/ 性能更优良的柔性基底材料。 溅射电极 / 新型聚合物材料聚对二甲苯正是基于上 罔 柔性神经微电极 艺 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图 述问题而提出的。从广义上讲, 具有良好的密封 ? .性能和化学性能,能够抵御潮湿、霉菌、盐雾及各种酸碱 等腐蚀性气体的侵害;具有优良的柔韧性能和机械强度, 能够在各种形状的基底上沉积一层厚度均匀、透明的绝 缘涂层;从生物医学 程应用来讲,具有良好的生物力学 . 柔性微电极阵列 的结构与形貌 特性,以及优异的生物相容性和 期稳定性 。本义提 针对目前视网膜假体的植入方法,并考虑到减小手 了一种基于新型聚合物材料 的柔性神经微电 术对玻璃体造成的创伤以及电檄能够有效地刺激神经, 极阵列,采用 技术,设汁?了该阵列芯片的微加 同时降低对玻璃体内部组织造成的诸如发热之类的损 工艺方法,利用电化学表征技术对所制作的微电极阵列 伤,基于上述工艺设计的柔性神经微电极阵列整体结构 的电学性能进行了研究。 如罔 所示 实验部分 . 微电极阵列的微加工工艺流程原始大小倍 倍 本实验制作的基于 柔性神经微电极阵列, 柔性神经微电极实物 采用 技术设计了该阵列芯片的微加 丁艺方法。. 具体加工步骤: 在硅片上淀积一层 ,,美国 ,见图 ; 旋涂光 基底 的尺寸大小为×× 刻胶 ,曝光显影后得到需要的衬底图案 ; / 电极的直径为 ,厚度为/; /光刻机,德国 ,见网】; 溅射金属 电极阵列为 × 个 ,间距为;引线采用 材料,一一溅射系统,日本 ,见图 制作而成,最小线宽为。 ; 采用 ? 艺得到掩模层冈案,见图 ;. 电化学测试 使用氧等离子体 刻蚀金属 掩模层由于制作的柔性神 微电极将在人体组织内进行使 ,法国 ,见图 ; 冉旋涂光刻胶 , 用,构造一个仿生环境来测量该微电极显得极为重要。 曝光显影后得到需要的微电极图案,见图 ; 溅射 人体中存在 一定含量的电解质离子,主要成分为 和 电极材料 //, ? 公司溅射系统,德。所以采用 . %的生理盐水作为仿生体液环 国 ,见图 ; 采用 . 工艺得到微电极阵列,并 境,基于电化学理论分析,对加工 的柔忡神经微电极进 将该柔性微电极从硅基底上剥离下来,实现加 目标,见 行测试,以更有效地为今后进行动物活体实验提供理论 图 。 依据。具体测试装置见图 ? ,其中 / 作为参考电极, 作为对电极, 表 示待测试的柔性微电极。第 期 吴义伯等:用于视觉修复的柔性神经微电极 阵列的电学性能表征 面积、几何外形有关,一定程度上也体现了溶液阻抗的大 小。在整个模型中,最主要的参数为引线等效阻抗尺 、 界面电容 和转移阻抗尺,。 . 测试系统的评估 如何评估该测试系统的有效性与准确性是一个首要 解决的问题。由于人体内生理液相体系生物理化性质可 能会随着各种大 素的细微变化,以及上述理论模型中 引线长度变化所产生的阻抗和寄生电容,对电极性能产 生影响。所以,利用 测试仪,选择 ~频率范围,分别从电解质溶液浓度和电 极引线 图 点阻抗测量装置 表示待测神经电极阵列 长度两个方面对加工出的柔性神经微电极进行测试,考. ? 察频率变化对刺激电极阻抗与相位角的影响。 图 分别表示出了采用 .%、 . %、 . %和. % 结果与讨论 的溶液浓度 接近人体生理液浓度变化 ,在引线长 度不变的情况下对微电极阵列阻抗与相位角的影响。可 . 测试理论模型 以看 ,在低频段 ,曲线 、 问差别较大,阻 等效电路模型是微电极与电解质溶液接触的重要模 抗差值约为 ;在高频段,阻抗差值约 型 ,如图 所示。在陔模型参数中, 是电极引线的 为 × ,而在巾频段~ 基本无差别;而 等效阻抗, ,是围绕在电极表面的界面电容, ,是刺激电 相位角低、中频段时十分接近,在高频段略有差距 相差 流所产生的电位转移阻抗,尺是扩展电阻,尺 和 是扩 约为一 。 ,主要是南于在高频时发生了震荡回波引起 散效应产生的电阻和电容,代表了反映扩散程度的 ? 的。一般情况下,人体神经信号感应的范围是在中频段, 阻抗 大小。该模型 假设电极与电解液达到近似 故在高、低频段均可不予考虑。 平衡时,在电极上耦合的信号 低于 穿过电极产 生的电流,这种微弱的电流大小和微电极尺寸等 素 相关电解液 频率 / 阻抗与频率的关系 图 电极与电解液间接触的电路模型. 当微电极与电解溶液接触时,在两者之问会发生电 位传递并达到电化学平衡。若外加电压 大于平衡电位 / 时,会产生过电位卵 一 ,形成电流,该现象可用 过电位转移电阻 ,表示,它与电极的表面积成反比关系。 同时,当所加电压 远大于平衡电位,电极反应物来不及 扩散到溶液,会形成扩散阻抗其中 和 表示在 较高频阶 由于扩散效应所产生的电阻和电 容,凶为神经信号的范围处于中频段 ~ , 相位与频率的关系 对此我们不是很关心。 反映了电极引线的阻抗大小, 其值与引线的长度等因素有关。另外,扩展电阻 反映 图 电解质溶液浓度对电极的影响.了从丁作电极到对电极的扩展电流情况, 大小和电极的 仪 器 仪 表 学 报 第 卷 同样,对于不同引线长度 分别为 .、 、 用较小的激励电流便可达到较大 的刺激效应,有利于 对功能性神经进行有效的刺激。 的情况下,如图 所示,中频段基本没有太大 差 别,说明电路方面对测试结果基本没有造成影响。基于 以上分析,可认为该测试系统是稳定可靠的,适合人体仿 生实验环境,同时也验证了上述理论模型的正确性。 : 、 四 阻抗网谱阻抗与频率的关系 相位图谱 图 基于 微电极阵列的频率测试结果 相位与频率的关系.? 图 引线长度对电极的影响. 结 论 采用 技术设计并加 出了基于聚对二甲苯 . 电学性能测试的柔性神经微电极阵列。依据电分析化学 完成了上述的基础工作后,对制作的柔性微电极阵列 理论,从仿生实验的角度出发,成功搭建了测试系统, 进行了测试,结果见图 。可以看出,随着频率的增高,微 并对该测试系统进行了有效性和稳定性评估,最后对 电极阵列的阻值呈现高通特性,阻值明显下降。在中频段 制作的柔性微电极阵列电学性能进行了表征。结果表~ ,其阻抗值由 降至约 。另一 明。基于 柔性微电极阵列的阻抗值在中频段呈 方面,观察相位角的变化,当频率在 到接近现高通特性,其阻抗值为 ~,相位角为 之间,相位延迟在一 。左右,此时的阻抗大小位于 ~ 一之间。上述两项数据都显示该电极的电性能在一定。,比基于 微电极的性能大有改善。对于 替代由 或所致丧失的视网膜部分功能,制作 程度上优于基于聚酰亚胺加工获得的微电极,在相同频段 电极阻抗值及其相位角分别为~ 和一 “。 出的阻抗值低、相位延迟小的柔性神经微电极阵列,将 因此,在适合人体神经信号感应的频率范围内 更适合用于植入式视网膜修复。~ ,基于 加工出的微电极阻抗值 参考文献 比基于加 出的微电极阻抗值大大降低,相位. 延迟方面也有所改善,说明了柔性神经微电极阵列在植 , ,: ?. 人视觉系统后,对组织产生的热损伤相对较小,同时,使