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目前,全球约有3.14亿人因各种原因造成视力损害,其中有4500万盲人正饱受失明的痛苦。视觉假体技术为患者恢复光明、重建视觉开辟了一条新的道路。神经微电极作为视觉假体中最关键的部件,起到连接外部仪器和神经组织的桥梁作用。
微电极的性能直接影响神经刺激的效果,因此优化微电极的工艺,改进微电极的力学特性和电化学特性,提升微电极刺激的有效性和可靠性,保证其长期安全稳定的工作,是微电极研究的主要方向和目标。本文围绕用于视觉假体的柔性神经微电极开展了一系列的研究工作,主要研究内容如下:
(1)针对基于聚酰亚胺(PI)的柔性神经微电极存在的一系列问题,提出了增加空气等离子处理的工艺优化方案,改进了微电极中金属与PI的黏附性,提升了微电极的电化学性能;针对视觉假体高分辨率刺激的需求,提出了双层布线工艺,实现了较高密度微电极阵列的制作;同时,为了便于手术植入操作,探索了包埋电镀镍层的工艺,实现了微电极力学性能的优化;另外,还探索了多种柔性器件的连接封装方法,并对基于PI的柔性微电极进行了系统的测试,提升了微电极的性能,最终将微电极成功应用于动物活体实验;
(2)为了改善柔性微电极的贴附性以及与神经组织的机械阻抗匹配,采用PDMS代替PI作为微电极的绝缘基底材料,提出一种基于电镀的制作方法解决了PDMS上金属容易龟裂的问题。并分别改进了Lift-Off工艺和压膜工艺,取代了传统的反应离子刻蚀工艺暴露微电极位点。该方法制作的微电极不仅贴附性良好,而且通过电镀制作的电极位点具有丘型形貌,减小了微电极的电化学阻抗,提高了电荷存储能力;
(3)为了提高柔性微电极的电化学稳定性,克服传统金属微电极易发生电化学腐蚀的问题,使微电极能够长期安全地实施电刺激,提出了一种基于碳膜作为导电材料的柔性微电极制作方法,并利用转膜和键合的技术使制作碳膜高温热解工艺与柔性微电极制作工艺相兼容。仅用PI一种聚合物材料完成微电极的三层制作,大大简化和降低了加工材料的需求和制作成本。该方法制作的微电极电化学稳定性和电荷注入能力得到显著提升。在此基础上,在电极位点上集成了微柱结构,增大了电极位点的表面积,降低了电化学阻抗,进一步提高了电荷存储能力。
本论文对柔性神经微电极进行了一系列研究和优化,显著提升了微电极的性能,增强了微电极的实用性,其中一部分微电极已经应用于动物活体实验,为视觉修复工程奠定了一定的基础,对微电极材料和性能的探索,为微电极的深入研究提供了重要的数据和帮助。