基于導(dǎo)電聚合物柔性MEMS微電極的癱瘓康復(fù)可植入人工神經(jīng)系統(tǒng)研究.pdf

1、在世界各地每年都有大量遞增的人群罹患由物理性損傷或器質(zhì)性疾病而引發(fā)的脊髓損傷。作為中樞神經(jīng)指令傳遞的重要通道，脊髓的損傷會直接導(dǎo)致患者身體廣泛性的癱瘓。癱瘓患者們最直接和迫切的需求是通過安全和有效的方式快速地重建其運動功能。對于癱瘓康復(fù)治療的主要思路為利用可植入人工神經(jīng)系統(tǒng)替代受損的運動神經(jīng)，重建運動神經(jīng)系統(tǒng)。微機電系統(tǒng)技術(shù)（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）的快速發(fā)展加速了可植入人工神經(jīng)系統(tǒng)微

2、型化和多功能化研發(fā)的步伐。相較于其它技術(shù)，微機電系統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢體現(xiàn)在尺寸小、重量輕、高可靠性、低功耗、低成本、功能性優(yōu)越以及與生物技術(shù)和分子生物學(xué)的結(jié)合性。
　　盡管研究者們基于MEMS技術(shù)研制了多種多樣的面向癱瘓康復(fù)可植入人工神經(jīng)系統(tǒng)，然而該方面研究仍然存在著問題和不足，主要包括三個方面：
　　1、通過MEMS技術(shù)研制的各類可植入微電極的柔性化和多功能化程度不高，難以作為長期植入物與動態(tài)活體生物組織的固有特性相匹配而發(fā)揮多

3、方面功能；
　　2、可植入人工神經(jīng)系統(tǒng)的整體效能嚴(yán)重地受到性能較差的電極-組織接口的制約，有待于研制出新型的有效、穩(wěn)定和安全的電極-組織接口；
　　3、作為運動癱瘓康復(fù)最直接和有效地方式，利用可植入人工神經(jīng)系統(tǒng)通過電流脈沖直接刺激骨骼肌重建運動功能方面的研究較為不足。本文在國內(nèi)外相關(guān)研究工作的基礎(chǔ)上，主要研究了基于導(dǎo)電聚合物電極-組織接口改性的、以MEMS技術(shù)研制的多功能柔性MEMS微電極構(gòu)成的、癱瘓康復(fù)可植入人工神經(jīng)系統(tǒng)。

4、論文的主要工作如下：
　　1、研制了兩種新型的應(yīng)用于可植入人工神經(jīng)系統(tǒng)的多功能柔性MEMS微電極：包含流體給藥功能的集成式柔性MEMS微電極和纏繞式柔性MEMS微電極。分別研究了兩種微電極的制備方法和工藝參數(shù)，研制微電極的工藝重復(fù)率高且成本低。整體由柔性生物相容性材料構(gòu)成的兩種微電極適應(yīng)于動態(tài)生物組織環(huán)境，其獨特的三維空間電極點分布結(jié)構(gòu)擁有比傳統(tǒng)微電極顯著增強的空間選擇性。通過電化學(xué)沉積導(dǎo)電聚合物提高研制電極的電化學(xué)性能，包括電化

5、學(xué)阻抗和電荷存儲能力。測試和分析了研制電極的力學(xué)性能、穩(wěn)定性和流阻特性。通過活體電生理實驗研究了研制電極的實際在世界各地每年都有大量遞增的人群罹患由物理性損傷或器質(zhì)性疾病而引發(fā)的脊髓損傷。作為中樞神經(jīng)指令傳遞的重要通道，脊髓的損傷會直接導(dǎo)致患者身體廣泛性的癱瘓。癱瘓患者們最直接和迫切的需求是通過安全和有效的方式快速地重建其運動功能。對于癱瘓康復(fù)治療的主要思路為利用可植入人工神經(jīng)系統(tǒng)替代受損的運動神經(jīng)，重建運動神經(jīng)系統(tǒng)。微機電系統(tǒng)技術(shù)（M

6、icro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）的快速發(fā)展加速了可植入人工神經(jīng)系統(tǒng)微型化和多功能化研發(fā)的步伐。相較于其它技術(shù)，微機電系統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢體現(xiàn)在尺寸小、重量輕、高可靠性、低功耗、低成本、功能性優(yōu)越以及與生物技術(shù)和分子生物學(xué)的結(jié)合性。
　　盡管研究者們基于MEMS技術(shù)研制了多種多樣的面向癱瘓康復(fù)可植入人工神經(jīng)系統(tǒng)，然而該方面研究仍然存在著問題和不足，主要包括三個方面：
　　1、通過MEMS技術(shù)

7、研制的各類可植入微電極的柔性化和多功能化程度不高，難以作為長期植入物與動態(tài)活體生物組織的固有特性相匹配而發(fā)揮多方面功能；
　　2、可植入人工神經(jīng)系統(tǒng)的整體效能嚴(yán)重地受到性能較差的電極-組織接口的制約，有待于研制出新型的有效、穩(wěn)定和安全的電極-組織接口；
　　3、作為運動癱瘓康復(fù)最直接和有效地方式，利用可植入人工神經(jīng)系統(tǒng)通過電流脈沖直接刺激骨骼肌重建運動功能方面的研究較為不足。本文在國內(nèi)外相關(guān)研究工作的基礎(chǔ)上，主要研究了基于導(dǎo)

8、電聚合物電極-組織接口改性的、以MEMS技術(shù)研制的多功能柔性MEMS微電極構(gòu)成的、癱瘓康復(fù)可植入人工神經(jīng)系統(tǒng)。論文的主要工作如下：
　　1、研制了兩種新型的應(yīng)用于可植入人工神經(jīng)系統(tǒng)的多功能柔性MEMS微電極：包含流體給藥功能的集成式柔性MEMS微電極和纏繞式柔性MEMS微電極。分別研究了兩種微電極的制備方法和工藝參數(shù)，研制微電極的工藝重復(fù)率高且成本低。整體由柔性生物相容性材料構(gòu)成的兩種微電極適應(yīng)于動態(tài)生物組織環(huán)境，其獨特的三維空間

9、電極點分布結(jié)構(gòu)擁有比傳統(tǒng)微電極顯著增強的空間選擇性。通過電化學(xué)沉積導(dǎo)電聚合物提高研制電極的電化學(xué)性能，包括電化學(xué)阻抗和電荷存儲能力。測試和分析了研制電極的力學(xué)性能、穩(wěn)定性和流阻特性。通過活體電生理實驗研究了研制電極的實際應(yīng)用性能，包括功能性電刺激、記錄肌電信號和通過流體通道給藥。兩種研制微電極均易通過簡單的手術(shù)過程精確植入到目標(biāo)生物組織位點，在電生理刺激和信號記錄的同時能夠以可控流體輸送的方式進行生物化學(xué)調(diào)節(jié)。該方面研究為今后的包括運動

10、癱瘓康復(fù)、深部腦區(qū)電刺激和組織器官功能監(jiān)測與調(diào)節(jié)等多方面研究提供了嶄新的思路和途徑。
　　2、系統(tǒng)全面地研究了用于提高可植入人工神經(jīng)系統(tǒng)性能的多種生物/非生物大分子分別摻雜形成的導(dǎo)電聚合物PEDOT復(fù)合電極-組織接口的多方面性能。研究了生物/非生物分子摻雜PEDOT電極-組織接口的合成工藝，并通過多種顯微觀測技術(shù)表征和研究了其表面形貌和特性。研究和分析了生物/非生物分子摻雜PEDOT電極-組織接口的電化學(xué)性能，包括：電化學(xué)阻抗譜、

11、電荷存儲能力和電荷注入限。分別通過大量重復(fù)循環(huán)伏安掃描和大量重復(fù)電流脈沖刺激研究和分析了六種PEDOT電極-組織接口的電化學(xué)和電刺激穩(wěn)定性。通過表面細(xì)胞培養(yǎng)研究和分析了六種PEDOT電極-組織接口的生物相容性。對六種生物/非生物分子摻雜形成的導(dǎo)電聚合物復(fù)合電極-組織接口各方面性能的系統(tǒng)全面的對比研究為今后導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料的發(fā)展與應(yīng)用提供了研究依據(jù)。
　　3、研制了新型的用于提高可植入人工神經(jīng)系統(tǒng)性能的氧化石墨烯摻雜導(dǎo)電聚合物PE

12、DOT（PEDOT/GO）復(fù)合電極-組織接口。研究了PEDOT/GO復(fù)合電極-組織接口的合成方法，并分別通過掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）和原子力顯微鏡（AFM）研究了其形貌特性。由三維空間上相互交疊的單原子層氧化石墨烯與填充在其中的導(dǎo)電聚合物形成的獨特復(fù)合結(jié)構(gòu)大大提高了電極-組織接口的比表面積和電荷傳輸速率。通過X射線光電子能譜分析（XPS）、傅里葉紅外光譜分析（FTIR）和紫外-可見光譜分析（UVI）表征分析了其

13、材料結(jié)構(gòu)特性。研究和分析了PEDOT/GO復(fù)合電極-組織接口的電化學(xué)性能，包括：電化學(xué)阻抗譜、電荷存儲能力和電荷注入限。研究和分析了其電化學(xué)穩(wěn)定性。通過測試細(xì)胞活性、細(xì)胞增殖和細(xì)胞粘附研究和分析了PEDOT/GO復(fù)合電極-組織接口的生物相容性。研制的新型PEDOT/GO復(fù)合電極-組織接口表面獨特的山脊?fàn)钚蚊才c優(yōu)越的電化學(xué)特性和生物相容性使其能夠廣泛應(yīng)用于可植入微系統(tǒng)、組織工程和可控藥物釋放等領(lǐng)域。
　　4、利用研制的可植入人工神經(jīng)

14、系統(tǒng)，通過活體電生理實驗研究了大鼠腿部骨骼肌模型的面向癱瘓康復(fù)的多區(qū)域多參數(shù)電刺激響應(yīng)特性。在研究和分析了骨骼肌的運動機制、生物電刺激的電化學(xué)過程和通過電極-組織接口的電荷注入過程的基礎(chǔ)上，選取了有效和安全的電流脈沖電刺激模式。研究和建立了通過電流脈沖直接刺激骨骼肌的電刺激收縮力模型，并通過該模型擬合出骨骼肌的電刺激收縮力特性曲線。研究和分析了多區(qū)域電刺激效果、不同頻率電刺激多區(qū)域肌肉響應(yīng)特性和不同幅值電刺激多區(qū)域肌肉響應(yīng)特性。進一步通