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植入式柔性神经微电极的微纳制备与光电集成技术研究

郭帮帮  
【摘要】:随着神经科学技术和计算机技术的发展,脑机接口作为人脑和电子设备之间进行通信的桥梁,在生物医疗、游戏娱乐、教育等领域具有广泛的应用价值。作为脑机接口的重要组成部分,神经电极成为了许多科学家研究的焦点。目前以侵入方式为标准可以将神经电极分为植入式和非植入式两种类型,非植入式神经电极主要是对EEG(头皮脑电信号)进行监测记录,这种方式由于无需植入所以手术风险低,但也正因如此,使得无法精确采集到神经元的信号,并且采集到的信号质量差、无法实现精准控制,从而无法满足人们现实生活中的一些要求,而植入式神经电极因其可放入头骨内部采集神经元水平的信号,分辨率远在非植入式神经电极之上,所能实现的功能也更多,是非常有潜力的研究方向。然而,已报道的植入式神经电极存在以下三个方面的问题:1、基于硅衬底的电极杨氏模量过高,与脑组织不匹配,生物相容性差;2、微电极与脑组织的界面阻抗过高,这导致微电极记录神经信号的灵敏度不足;3、传统电刺激空间分辨率低,而通过集成光纤来实现光刺激的方式,又增大了器件的体积和限制了小鼠的移动;针对上述问题,提出了基于PI(聚酰亚胺)的可植入神经光电极的研究。本论文的主要内容如下:(1)建立了PI光电极的力学模型,通过对具有不同长度或不同厚度探针的光电极模型进行仿真,分析光电极的应力应变随探针尺寸的变化规律,通过对具有不同厚度SU-8的光电极模型进行仿真,分析SU-8和PI之间的热应力随SU-8厚度变化的规律,从而优化光电极的结构。(2)提出了基于PI衬底,SU-8为波导的可植入神经光电极的制备方法。根据仿真的结果,设计光电极的外形,然后基于微加工技术,包括:蒸镀、磁控溅射、光刻、湿法刻蚀、RIE(反应离子刻蚀)和激光切割,制备具有8个记录通道的光电极,并通过PEG(聚乙二醇)键合技术,实现了光纤与微电极的光电集成,并通过光纤实现了光刺激功能。(3)提出了一种利用PBK/PGO(铂黑/石墨烯掺杂聚乙烯二氧噻吩)双层材料进行表面改性的方法,用于提高电极的电荷存储能力和降低电极阻抗,从而提高电极的信噪比和减小波形失真,同时提高了电极的电化学稳定性。通过电化学沉积技术,实现了PBK/PGO对电极表面的修饰,并通过SEM(扫描电子显微镜)观察电极点表面形貌,然后采用超声测试以及循环伏安扫描方式测试并验证了PBK/PGO具有良好的机械稳定性和电化学稳定性。最后通过施加一定的光刺激,对比在PI衬底和硅衬底上采集到的背景噪声和光刺激伪影的大小,得出PBK/PGO修饰的光电极具有更小的背景噪声和光刺激伪影,同时也证明了PI衬底很好的消除了由于硅的光伏效应产生的噪声对记录信号的影响。


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