基于Parylene的柔性微電極研制及應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、在視覺修復(fù)領(lǐng)域，神經(jīng)微電極的研制是一大重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文圍繞“為視覺假體提供性能優(yōu)良的神經(jīng)接口器件”的主要目標(biāo)，結(jié)合973子項(xiàng)目和中國(guó)博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目的課題需要，在Parylene基柔性微電極的研制和應(yīng)用方面進(jìn)行了較為系統(tǒng)的基礎(chǔ)性研究工作，業(yè)已取得如下研究成果：
　　 首先，本文針對(duì)視覺假體用柔性微電極必須解決的首要問題，即生物相容性問題，主要從植入部位選擇、微電極材料選擇、微電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)三方面，對(duì)柔性微電極的設(shè)計(jì)提供了相應(yīng)

2、的理論指導(dǎo)，指出視網(wǎng)膜前假體是目前較為理想的視覺假體類型，而視網(wǎng)膜內(nèi)層內(nèi)界膜表面黃斑區(qū)是視網(wǎng)膜前假體中柔性微電極的最佳植入部位。選取聚對(duì)二甲苯(Parylene)作為微電極的柔性基底和絕緣材料，充分利用Parylene優(yōu)異的生物相容性能、隔離防護(hù)性能、以及與硅工藝兼容的特點(diǎn)，有助于解決片上集成型視覺假體系統(tǒng)的密封封裝難題。Parylene透明的材質(zhì)利于手術(shù)觀察，有望增加微電極的植入成功率。
　　 借助有限元分析軟件COMSOL

3、Multiphysics(R)3.5，對(duì)視覺假體可能對(duì)周圍眼內(nèi)組織造成熱損傷的問題進(jìn)行模擬仿真，分析后得出：視網(wǎng)膜前假體對(duì)臨近視網(wǎng)膜區(qū)域造成熱損傷的可能性以及損傷程度較視網(wǎng)膜下假體相對(duì)要輕；將視覺假體中的專用控制芯片(ASIC)置于玻璃體中央，有利于散熱；柔性微電極基底材料、電極材料對(duì)眼內(nèi)組織的熱損傷問題影響較小，可忽略不計(jì)；隨著微電極集成度的不斷提高，視覺假體所帶來的熱損傷問題可能會(huì)越來越嚴(yán)重，需要引起足夠的重視。
　　 其次

4、，本文以最常見的紫外光刻技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合濺射、沉積、腐蝕等微細(xì)加工技術(shù)，選取Pt/Ti或Au/Cr作為微電極的電極位點(diǎn)、電極引線、以及引線焊點(diǎn)材料(同步設(shè)計(jì)制作)，分別研制出了具有16個(gè)通道和36個(gè)通道的Paylene基平面柔性微電極，其中，電極位點(diǎn)依次按4×4和6×6矩陣排布，電極位點(diǎn)的最小尺寸為直徑120μm，電極引線最小線寬僅30μm。通過光學(xué)顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，無論電極材料為Pt/Ti或Au/Cr，無論電極為圓形或方形，所制作的微電

5、極表面均平整光滑，無裂痕，且電極整體結(jié)構(gòu)完整，輪廓清晰。通過對(duì)Parylene基平面柔性微電極加工中的關(guān)鍵工藝，包括Parylene沉積、剝離(Lift-off)工藝、反應(yīng)離子刻蝕(RIE)工藝以及柔性微電極釋放技術(shù)進(jìn)行不斷地摸索，尋找到了較佳的技術(shù)方案和較優(yōu)的技術(shù)參數(shù)，為后續(xù)Parylene基三維柔性凸起微電極的研制奠定了基礎(chǔ)。
　　 在視覺假體中，要求微電極具有低阻抗、高電荷注入能力以及抵御生物體液環(huán)境腐蝕的能力等。為了初步

6、評(píng)價(jià)所制作的Parylene基平面柔性微電極的電學(xué)性能，本文采用0.9％的氯化鈉溶液(生理鹽水)來模擬生物體液環(huán)境，采用三電極體系(微電極作為工作電極，金屬鉑片電極作為對(duì)電極，Ag/AgCl電極作為參考電極)，借助阻抗分析儀對(duì)微電極在不同頻率下的阻抗進(jìn)行了測(cè)量。阻抗測(cè)試結(jié)果表明：隨著頻率的增加，微電極的阻抗迅速下降，呈高通特性；對(duì)于直徑為150μm的圓形微電極而言，1kHz時(shí)微電極的阻抗僅為7kΩ左右，有望在視覺假體中獲得應(yīng)用。

7、　　 再次，針對(duì)視網(wǎng)膜前假體的需要，以提高微電極與待刺激目標(biāo)神經(jīng)組織間的耦合程度為目的，結(jié)合電鍍、光刻等微加工技術(shù)，設(shè)計(jì)并制作了Parylene基三維柔性凸起微電極，其中，電極位點(diǎn)按6×6矩陣排布，電極位點(diǎn)直徑80μm，兩相鄰電極位點(diǎn)間距280μm，引線線寬40μm，引線間距80μm。電極位點(diǎn)高度約15μm，呈明顯的凸起結(jié)構(gòu)特征。電極位點(diǎn)和引線表面均平整光滑，輪廓清晰，結(jié)構(gòu)完好。阻抗測(cè)試結(jié)果表明：隨著頻率的增加，凸起微電極的阻抗呈下降

8、趨勢(shì)，呈現(xiàn)高通特性；1kHz時(shí)凸起微電極的阻抗約為10kΩ，較具有相同基底面積的平面電極約低30℅，有助提高電極的信噪比。
　　 Parylene基平面微電極和三維凸起微電極均采用傳統(tǒng)的平面微細(xì)加工技術(shù)流程化制作，實(shí)現(xiàn)了微電極和柔性基底的集成，有利于高效率批量生產(chǎn)。微電極加工質(zhì)量較好，電學(xué)性能優(yōu)良，為視覺假體中柔性神經(jīng)接口器件的研制提供了技術(shù)積累。
　　 然后，在研制Parylene基柔性微電極陣列的基礎(chǔ)上，依據(jù)復(fù)雜體系