用于植入式神經(jīng)接口的微絲電極陣列的研制與改性研究.pdf

1、神經(jīng)接口（Neural interface，NI）是大腦（包括人腦、動物腦、體外神經(jīng)細(xì)胞）與外部設(shè)備（如計(jì)算機(jī)、電子設(shè)備或機(jī)械裝置）間實(shí)現(xiàn)交互性通信與控制的功能接口。按侵入方式不同神經(jīng)接口可分為：植入式神經(jīng)接口、非植入式神經(jīng)接口、離體神經(jīng)接口。其中植入式神經(jīng)接口具有信號質(zhì)量好，空間分辨率高、可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜與精確控制等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)生物學(xué)的基礎(chǔ)研究。植入式神經(jīng)微電極陣列是植入式神經(jīng)接口最關(guān)鍵的部件之一，是大腦與外部設(shè)備間的橋梁，其

2、研制與改性是探索大腦功能、治療神經(jīng)疾病、研發(fā)人機(jī)結(jié)合裝置的關(guān)鍵技術(shù)。
　　植入式神經(jīng)微電極出現(xiàn)于1950年，早期是一種簡單的金屬微絲電極。隨著科學(xué)研究的不斷深入，人們對神經(jīng)微電極的性能提出了更高的要求。近年來，納米技術(shù)和微制造技術(shù)蓬勃發(fā)展，使得神經(jīng)微電極陣列技術(shù)取得了巨大進(jìn)步，一些商用神經(jīng)微電極陣列開始出現(xiàn)，比如Michigan微電極和美國的Utah電極。這些商用電極主要基于硅基材制備，空間精度很高、侵入性小，但是其工藝復(fù)雜、造價

3、昂貴。而微絲電極陣列由于其制備方法簡單，成本低廉，已成為實(shí)驗(yàn)室首選的神經(jīng)電生理研究工具。
　　在微絲電極陣列的研制中，關(guān)鍵問題是如何提高電極的電學(xué)性能和生物學(xué)性能。在電極記錄位點(diǎn)電鍍修飾材料能夠極大地改變電極的電學(xué)性能。眾多電極的修飾材料中，碳納米管能夠形成粗糙多孔的納米結(jié)構(gòu)，有效提高電極的表面積，減小電極阻抗，已獲得眾多科研工作者的關(guān)注，但是其修飾方法困難，而且容易從電極上脫落。聚乙烯二氧噻吩（PEDOT）是一種電學(xué)性能非常優(yōu)異

4、的高分子材料，其單體EDOT可以很容易通過電聚合的方法修飾到電極表面形成PEDOT，其在神經(jīng)電極修飾上已經(jīng)有廣泛的應(yīng)用。將PEDOT與碳納米管結(jié)合進(jìn)行神經(jīng)電極的修飾，可以解決碳納米管修飾困難的問題，相關(guān)研究已成為當(dāng)前神經(jīng)電極改進(jìn)的熱點(diǎn)。但是，導(dǎo)電聚合物與碳納米管相結(jié)合的電極修飾材料生物相容性有待進(jìn)一步提高。
　　改進(jìn)神經(jīng)電極生物相容性的本質(zhì)方法是使神經(jīng)微電極植入生物組織部分更好的模擬神經(jīng)組織的生長環(huán)境，減小植入電極的組織響應(yīng)，甚至

5、促進(jìn)神經(jīng)組織的發(fā)育。目前，已有多種生物活性材料被用于摻入到EDOT溶液中修飾神經(jīng)電極，包括大分子蛋白（層粘黏蛋白與膠原）、多肽（DCDPGYIGSR與DEDEDYFQRYLI）以及生長因子（NGF）等。這些生物活性材料具有增強(qiáng)細(xì)胞粘附與促進(jìn)細(xì)胞生長、分化、增殖等功能，但是將生物材料直接混合到電聚合溶液的方式不利于生物活性材料功能的長期發(fā)揮。而通過共價結(jié)合的方式將生物材料結(jié)合到電極修飾材料上能夠提升其有效的作用時間。多肽RGD可以與多種整

6、合素特異性結(jié)合，能夠促進(jìn)細(xì)胞對生物材料的粘附，已在眾多研究中中被用于與生物材料結(jié)合以增強(qiáng)材料的生物相容性。多種細(xì)胞外基質(zhì)中存在生物多肽YIGSR，結(jié)合YIGSR的生物材料可以促進(jìn)神經(jīng)突觸的生長。RGD與YIGSR多肽的結(jié)合對于植入式神經(jīng)電極性能有很大的提升，在PEDOT/MWCNT上共價結(jié)合生物多肽RGD與YIGSR用于改善神經(jīng)微電極的研究目前尚未見報道，其在神經(jīng)電極修飾方面存在著巨大的應(yīng)用潛力。
　　植入式神經(jīng)電極的機(jī)械性能對其

7、生物相容性也有重要影響，植入式神經(jīng)電極由于機(jī)械性能與大腦組織不匹配會對大腦組織產(chǎn)生損傷，加劇組織的炎性反應(yīng)。采用柔性材料（如PDMS、SU-8）制備神經(jīng)電極的基底可以減輕這種組織損傷，但是現(xiàn)有神經(jīng)電極的記錄位點(diǎn)上幾乎都采用了剛性的修飾材料。據(jù)文獻(xiàn)報道，PVA凝膠結(jié)合PEDOT可以形成一種與腦組織楊氏模量非常接近的導(dǎo)電凝膠，在神經(jīng)電極的柔性修飾物研制方面有巨大的應(yīng)用潛力，其電學(xué)、生物學(xué)的研究對于改善神經(jīng)微電極性能有著重要的意義。
　

8、　基于上述分析，本課題首先進(jìn)行了微絲電極陣列的研制以及YIGSR和RGD多肽共價結(jié)合的PEDOT-MWCNT電極修飾材料的研制，對微絲電極改性后的性能進(jìn)行了詳細(xì)的電學(xué)及生物學(xué)評價研究。在此基礎(chǔ)上，研制了一種基于 PDMS的柔性光電極，采用PVA/MWCNT凝膠實(shí)現(xiàn)電極記錄位點(diǎn)的柔性修飾，初步研究了PEDOT對柔性修飾物電學(xué)性能的改進(jìn)情況。本課題的主要研究內(nèi)容分為以下二個部分：
　　第一部分、基于導(dǎo)電聚合物與生物多肽的微絲電極陣列的

9、研制與改性研究
　　方法：本部分研制一種多肽結(jié)合導(dǎo)電聚合物的神經(jīng)電極修飾材料，我們在EDOT單體中加入MWCNT/PSS作為摻雜劑，在自制的16通道微絲電極陣列以及ITO玻璃上用恒電流的方法電聚合生成PEDOT/MWCNT復(fù)合材料。然后采用縮合劑EDC激活復(fù)合材料中MWCNT上的羧基，使其能夠與多肽RGD和YIGSR上的氨基形成共價結(jié)合，將多肽修飾到材料表面。用熒光胺檢驗(yàn)多肽在材料表面結(jié)合的情況，掃描電鏡觀察制備材料的表面形貌。然

10、后對其修飾的神經(jīng)電極進(jìn)行了多方面的電學(xué)性能測試，結(jié)合表面形貌與電極進(jìn)行信號采集的物理模型，分析電學(xué)性能改進(jìn)的特點(diǎn)。通過超聲實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)修飾材料與電極結(jié)合的緊密性。觀察PC12細(xì)胞在材料上的生長情況評估其生物相容性。通過急性與慢性的神經(jīng)信號采集實(shí)驗(yàn)，評估復(fù)合材料對電極記錄位點(diǎn)進(jìn)行的電學(xué)性能改進(jìn)效果，并結(jié)合修飾電極的在體阻抗變化與神經(jīng)信號采集數(shù)據(jù)，分析修飾電極記錄位點(diǎn)上神經(jīng)細(xì)胞隨時間的變化，進(jìn)一步評估電極的生物相容性。
　　結(jié)果：熒光胺染

11、色結(jié)果表明，我們成功將多肽共價結(jié)合到了MWCNT上。掃描電鏡結(jié)果顯示，材料表面呈現(xiàn)粗糙多孔的納米結(jié)構(gòu)，多肽修飾后該特點(diǎn)更加明顯。電學(xué)性能檢測結(jié)果表明，多肽結(jié)合的復(fù)合修飾材料（PEDOT/PSS/MWCNT-peptide）提高了神經(jīng)電極的電流刺激響應(yīng)特性，修飾706.5μm2面積的電極陰極電荷儲存值（CSCC）達(dá)到7.5032mC/cm2，同時神經(jīng)電極的阻抗值顯著降低，1KHz頻率下的阻抗從大約600kΩ降低到15kΩ左右。結(jié)合物理模型

12、分析發(fā)現(xiàn)，由于MWCNT增加了記錄位點(diǎn)有效表面積，同時表面多孔的結(jié)構(gòu)有助于材料中離子的傳輸，從而極大的降低了電極阻抗。超聲試驗(yàn)表明該材料與電極結(jié)合緊密，聚合在微絲電極上的材料不宜脫落。PC12細(xì)胞培養(yǎng)的結(jié)果顯示，PEDOT/PSS/MWCNT-peptide材料細(xì)胞粘附效果良好。大鼠體內(nèi)電極植入實(shí)驗(yàn)表明，與未修飾的電極相比，修飾后的電極能夠記錄到更多的神經(jīng)信息，電極的有效通道數(shù)增加，采集到的spikes平均最大幅值提高、噪音減小，信噪比

13、（SNR）提高。結(jié)合電極在體阻抗的變化，我們分析了電極記錄位點(diǎn)表面細(xì)胞的變化，推測經(jīng)修飾的電極位點(diǎn)上神經(jīng)細(xì)胞密度更大且更靠近電極，證明PEDOT/PSS/MWCNT-peptide材料的生物相容性更好。
　　結(jié)論：本部分研究中，我們通過共價結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)了多肽與導(dǎo)電聚合物的結(jié)合，研制的PEDOT/PSS/MWCNT-peptide神經(jīng)電極修飾材料，能夠顯著提高電極的電學(xué)性能與生物學(xué)性能。首次將電極的在體阻抗和神經(jīng)信號采集數(shù)據(jù)結(jié)合分

14、析電極上神經(jīng)細(xì)胞的變化，實(shí)現(xiàn)了材料生物相容性的體內(nèi)評價。
　　第二部分、基于混合導(dǎo)電凝膠材料的微絲光電極的研制與改性研究
　　方法：本部分設(shè)計(jì)并制備一種柔性的微絲光電極，我們通過采用微絲布置模具在玻璃微管中灌注 PDMS的方法制備一種帶微通道的光電極基底，顯微鏡下將微絲插入光電極基底的微通道，然后在微通道中灌注PVA/MWCNT凝膠，凍融交聯(lián)后最終形成電極柔性的記錄位點(diǎn)，進(jìn)一步開展PEDOT/PSS在凝膠中電聚合生長改進(jìn)光電

15、極電學(xué)性能的研究，研制一種柔性的電極修飾材料。測試該光電極在不同凝膠修飾情況下的電學(xué)阻抗、伏安循環(huán)曲線以及電流刺激響應(yīng)等電學(xué)性能，優(yōu)化制備工藝。檢驗(yàn)其光學(xué)性能是否滿足光遺傳實(shí)驗(yàn)，以及是否能夠進(jìn)行神經(jīng)信號的有效采集。
　　結(jié)果：實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的光電極能夠有效的傳輸光遺傳實(shí)驗(yàn)需要的激光強(qiáng)度，經(jīng)過修飾的光電極能夠進(jìn)行急性神經(jīng)信號采集。對電極進(jìn)行柔性修飾物改性時，我們發(fā)現(xiàn)記錄位點(diǎn)上凝膠修飾的厚度越薄，其電學(xué)性能越好。通過灌注的方法實(shí)

16、現(xiàn)凝膠對光電極的修飾可以提高電極記錄位點(diǎn)的有效表面積，從而提高其電學(xué)性能。在PVA/MWCNT凝膠中電聚合生長PEDOT/PSS后，光電極1KHz頻率的阻抗從大約30kΩ降低到10kΩ左右，電流刺激響應(yīng)特性也相應(yīng)改善。
　　結(jié)論：本部分研究中，我們自研了一種基于硅膠PDMS及PVA/MWCNT凝膠的柔性光電極，電極記錄位點(diǎn)上的凝膠進(jìn)行PEDOT/PSS改性后能夠顯著提高其電學(xué)性能。該柔性電極的生物相容性以及神經(jīng)信號采集能力有待于下