神经接口(Neural interface,NI)是大脑(包括人脑、动物脑、体外神经细胞)与外部设备(如计算机、电子设备或机械装置)间实现交互性通信与控制的功能接口。按侵入方式不同神经接口可分为:植入式神经接口、非植入式神经接口、离体神经接口。其中植入式神经接口具有信号质量好,空间分辨率高、可实现复杂与精确控制等优点,已经被广泛应用于神经生物学的基础研究。植入式神经微电极阵列是植入式神经接口最关键的部件之一,是大脑与外部设备间的桥梁,其研制与改性是探索大脑功能、治疗神经疾病、研发人机结合装置的关键技术。植入式神经微电极出现于1950年,早期是一种简单的金属微丝电极。随着科学研究的不断深入,人们对神经微电极的性能提出了更高的要求。近年来,纳米技术和微制造技术蓬勃发展,使得神经微电极阵列技术取得了巨大进步,一些商用神经微电极阵列开始出现,比如Michigan微电极和美国的Utah电极。这些商用电极主要基于硅基材制备,空间精度很高、侵入性小,但是其工艺复杂、造价昂贵。而微丝电极阵列由于其制备方法简单,成本低廉,已成为实验室首选的神经电生理研究工具。在微丝电极阵列的研制中,关键问题是如何提高电极的电学性能和生物学性能。在电极记录位点电镀修饰材料能够极大地改变电极的电学性能。众多电极的修饰材料中,碳纳米管能够形成粗糙多孔的纳米结构,有效提高电极的表面积,减小电极阻抗,已获得众多科研工作者的关注,但是其修饰方法困难,而且容易从电极上脱落。聚乙烯二氧噻吩(PEDOT)是一种电学性能非常优异的高分子材料,其单体EDOT可以很容易通过电聚合的方法修饰到电极表面形成PEDOT,其在神经电极修饰上已经有广泛的应用。将PEDOT与碳纳米管结合进行神经电极的修饰,可以解决碳纳米管修饰困难的问题,相关研究已成为当前神经电极改进的热点。但是,导电聚合物与碳纳米管相结合的电极修饰材料生物相容性有待进一步提高。改进神经电极生物相容性的本质方法是使神经微电极植入生物组织部分更好的模拟神经组织的生长环境,减小植入电极的组织响应,甚至促进神经组织的发育。目前,已有多种生物活性材料被用于掺入到EDOT溶液中修饰神经电极,包括大分子蛋白(层粘黏蛋白与胶原)、多肽(DCDPGYIGSR与DEDEDYFQRYLI)以及生长因子(NGF)等。这些生物活性材料具有增强细胞粘附与促进细胞生长、分化、增殖等功能,但是将生物材料直接混合到电聚合溶液的方式不利于生物活性材料功能的长期发挥。而通过共价结合的方式将生物材料结合到电极修饰材料上能够提升其有效的作用时间。多肽RGD可以与多种整合素特异性结合,能够促进细胞对生物材料的粘附,已在众多研究中中被用于与生物材料结合以增强材料的生物相容性。多种细胞外基质中存在生物多肽YIGSR,结合YIGSR的生物材料可以促进神经突触的生长。RGD与YIGSR多肽的结合对于植入式神经电极性能有很大的提升,在PEDOT/MWCNT上共价结合生物多肽RGD与YIGSR用于改善神经微电极的研究目前尚未见报道,其在神经电极修饰方面存在着巨大的应用潜力。植入式神经电极的机械性能对其生物相容性也有重要影响,植入式神经电极由于机械性能与大脑组织不匹配会对大脑组织产生损伤,加剧组织的炎性反应。采用柔性材料(如PDMS、SU-8)制备神经电极的基底可以减轻这种组织损伤,但是现有神经电极的记录位点上几乎都采用了刚性的修饰材料。据文献报道,PVA凝胶结合PEDOT可以形成一种与脑组织杨氏模量非常接近的导电凝胶,在神经电极的柔性修饰物研制方面有巨大的应用潜力,其电学、生物学的研究对于改善神经微电极性能有着重要的意义。基于上述分析,本课题首先进行了微丝电极阵列的研制以及YIGSR和RGD多肽共价结合的PEDOT-MWCNT电极修饰材料的研制,对微丝电极改性后的性能进行了详细的电学及生物学评价研究。在此基础上,研制了一种基于PDMS的柔性光电极,采用PVA/MWCNT凝胶实现电极记录位点的柔性修饰,初步研究了PEDOT对柔性修饰物电学性能的改进情况。本课题的主要研究内容分为以下二个部分:第一部分:基于导电聚合物与生物多肽的微丝电极阵列的研制与改性研究方法:本部分研制一种多肽结合导电聚合物的神经电极修饰材料,我们在EDOT单体中加入MWCNT/PSS作为掺杂剂,在自制的16通道微丝电极阵列以及ITO玻璃上用恒电流的方法电聚合生成PEDOT/MWCNT复合材料。然后采用缩合剂EDC激活复合材料中MWCNT上的羧基,使其能够与多肽RGD和YIGSR上的氨基形成共价结合,将多肽修饰到材料表面。用荧光胺检验多肽在材料表面结合的情况,扫描电镜观察制备材料的表面形貌。然后对其修饰的神经电极进行了多方面的电学性能测试,结合表面形貌与电极进行信号采集的物理模型,分析电学性能改进的特点。通过超声实验检验修饰材料与电极结合的紧密性。观察PC12细胞在材料上的生长情况评估其生物相容性。通过急性与慢性的神经信号采集实验,评估复合材料对电极记录位点进行的电学性能改进效果,并结合修饰电极的在体阻抗变化与神经信号采集数据,分析修饰电极记录位点上神经细胞随时间的变化,进一步评估电极的生物相容性。结果:荧光胺染色结果表明,我们成功将多肽共价结合到了MWCNT上。扫描电镜结果显示,材料表面呈现粗糙多孔的纳米结构,多肽修饰后该特点更加明显。电学性能检测结果表明,多肽结合的复合修饰材料(PEDOT/PSS/MWCNT-peptide)提高了神经电极的电流刺激响应特性,修饰706.5μ8)2面积的电极阴极电荷储存值(CSCC)达到7.5032 m C/cm2,同时神经电极的阻抗值显著降低,1KHz频率下的阻抗从大约600k降低到15k左右。结合物理模型分析发现,由于MWCNT增加了记录位点有效表面积,同时表面多孔的结构有助于材料中离子的传输,从而极大的降低了电极阻抗。超声试验表明该材料与电极结合紧密,聚合在微丝电极上的材料不宜脱落。PC12细胞培养的结果显示,PEDOT/PSS/MWCNT-peptide材料细胞粘附效果良好。大鼠体内电极植入实验表明,与未修饰的电极相比,修饰后的电极能够记录到更多的神经信息,电极的有效通道数增加,采集到的spikes平均最大幅值提高、噪音减小,信噪比(SNR)提高。结合电极在体阻抗的变化,我们分析了电极记录位点表面细胞的变化,推测经修饰的电极位点上神经细胞密度更大且更靠近电极,证明PEDOT/PSS/MWCNT-peptide材料的生物相容性更好。结论:本部分研究中,我们通过共价结合的方法实现了多肽与导电聚合物的结合,研制的PEDOT/PSS/MWCNT-peptide神经电极修饰材料,能够显著提高电极的电学性能与生物学性能。首次将电极的在体阻抗和神经信号采集数据结合分析电极上神经细胞的变化,实现了材料生物相容性的体内评价。第二部分:基于混合导电凝胶材料的微丝光电极的研制与改性研究方法:本部分设计并制备一种柔性的微丝光电极,我们通过采用微丝布置模具在玻璃微管中灌注PDMS的方法制备一种带微通道的光电极基底,显微镜下将微丝插入光电极基底的微通道,然后在微通道中灌注PVA/MWCNT凝胶,冻融交联后最终形成电极柔性的记录位点,进一步开展PEDOT/PSS在凝胶中电聚合生长改进光电极电学性能的研究,研制一种柔性的电极修饰材料。测试该光电极在不同凝胶修饰情况下的电学阻抗、伏安循环曲线以及电流刺激响应等电学性能,优化制备工艺。检验其光学性能是否满足光遗传实验,以及是否能够进行神经信号的有效采集。结果:实验结果表明,所研制的光电极能够有效的传输光遗传实验需要的激光强度,经过修饰的光电极能够进行急性神经信号采集。对电极进行柔性修饰物改性时,我们发现记录位点上凝胶修饰的厚度越薄,其电学性能越好。通过灌注的方法实现凝胶对光电极的修饰可以提高电极记录位点的有效表面积,从而提高其电学性能。在PVA/MWCNT凝胶中电聚合生长PEDOT/PSS后,光电极1KHz频率的阻抗从大约30k降低到10k左右,电流刺激响应特性也相应改善。结论:本部分研究中,我们自研了一种基于硅胶PDMS及PVA/MWCNT凝胶的柔性光电极,电极记录位点上的凝胶进行PEDOT/PSS改性后能够显著提高其电学性能。该柔性电极的生物相容性以及神经信号采集能力有待于下一步研究。