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由脊髓损伤或者神经病变引起的瘫痪对病人的日常生活造成了重大影响。针对瘫痪康复的现实与急迫需求,国内外已有很多研究机构致力于瘫痪康复方面的研究。基于微型机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)的可植入人工神经系统是目前瘫痪康复的研究热点之一。MEMS的发展为可植入人工神经系统的小型化与集成化提供了可能。随着技术的不断进步,基于MEMS神经接口器件的可植入人工神经系统,有潜力重建骨骼肌运动机能,实现一定程度的瘫痪康复。Nicholas A.Kotov和Daryl R.Kipke等人2012年发表在《NATURE MATERIALS》上的文章“Ultrasmall implantable composite microelectrodes with bioactive surfaces for chronic neural interfaces”里指出神经接口器件是基础与应用神经科学中电生理记录与电刺激的基础,同时Stuart F.Cogan 2008年发表在《Annual Review of Biomedical Engineering》上的综述文章“Neural Stimulation and Recording Electrodes”和Daniel R.Merrill等人2005年发表在《Journal of Neuroscience Methods》上的综述文章“Electrical stimulation of excitable tissue:design of efficacious and safe protocols”里也提到神经接口器件是沟通生物组织的离子导电机制与人工系统的电子导电机制的桥梁,其性能决定了瘫痪康复可植入人工神经系统的整体效能。本文在国内外相关研究工作基础上,主要研究了基于MEMS技术研制的柔性神经接口器件,通过氧化铱修饰提高了电极—组织接口性能,利用独特的优化设计接口器件实现了电生理记录与电刺激区域可控。在此基础上,还研究了神经接口器件重建肌纤维运动的分子机制。论文的主要工作如下:1、研究和建立了神经接口器件模型,通过独特优化设计接口器件的中心刺激(记录)电极与包围的八个地(参比)电极配置,实现了电刺激(电生理记录)的区域可控。针对瘫痪康复的具体需求,对MEMS神经接口器件进行了建模与仿真。通过在每个独立通道中心的刺激电极与包围的八个地电极,限制电流的分布范围,只对网格区域内的组织进行电刺激,对网格外的组织影响极小。另一方面,通过在每个独立通道中心的记录电极与包围的八个参比电极,限制记录的电压范围,只对网格区域内的组织进行电生理记录,对网格外组织的电活动有效的屏蔽。2、系统研究了神经接口器件的纳米氧化铱表面改性方法,可有效提高界面接口特性。研制了三种氧化铱具体包括电化学激活氧化铱,Activated iridium oxide film(AIROF);反应溅射氧化铱,Sputtering iridium oxide film(SIROF);电沉积氧化铱,Electrodeposited iridium oxide film(EIROF)。研究了从金属铱激活为AIROF的详细过程,得到了其电化学性能与加载激活循环次数的定量关系。AIROF具有稳定与低的相角偏移,更适合应用于神经电信号记录;研究了不同氧气流量、气压对氧化铱的微观结构与电化学性能的影响,确定了使Lift-off工艺顺利进行的反应溅射条件。SIROF与基底的结合力较好,表现出较好的稳定性,有长期应用于神经接口器件的潜力;研究了在含有铱的络合物沉积液中电沉积制备EIROF的条件,得到了较好性能的氧化铱薄膜。EIROF具有较大的电荷存储能力与较低的阻抗,较适合于较短时间的电刺激与电记录应用。3、研制了立体型与平面型两种柔性MEMS神经接口器件:EIROF修饰的自应力卷曲神经接口器件和SIROF修饰的柔性平面神经接口器件。传统Cuff电极闭合、锁定结构的制备方法较为复杂,包含手工部分与多个微小部分的组装,并伴随有对神经的外加压力损伤问题,基于MEMS技术研制了一种自应力卷曲神经接口器件。通过两层Parylene的自应力,导致电极发生卷曲,形成环状Cuff电极。进一步通过电沉积的方法在立体型器件上进行了氧化铱的修饰,提高了神经接口器件的电化学性能。通过对Parylene薄膜进行合适条件的退火处理,成功研制了SIROF修饰的柔性Parylene神经接口器件。结合了Parylene与SIROF的优势,该神经接口器件表现出良好的电化学性能。4、为验证研制的两种柔性MEMS神经接口器件的可行性,进行了大鼠动物模型的电生理信号记录与电刺激肌肉实验。利用EIROF自应力卷曲神经接口器件,可以通过拉伸调节Cuff直径,对神经的机械压力也很小。由于独特的中心记录电极与包围的八个参比电极设计,直接屏蔽了心电信号、肌电信号对复合动作电位的影响,只对网格区域内的坐骨神经进行了电生理记录,得到了坐骨神经复合动作电位的高质量信号。利用SIROF柔性平面神经接口器件,能够满足表面肌电信号较高信噪比与空间分辨率记录的需求,同时也能满足较高空间分辨率与精细电刺激肌肉的需求。得益于特殊的中心记录电极与包围的八个参比电极设计,直接屏蔽了电刺激引起的刺激伪迹,只对网格区域内的肌肉电活动进行了电生理记录。同样得益于这种特殊设计,可以对组织进行网格状的刺激,提高电刺激的空间分辨率与精细电刺激能力,各个刺激通道互相独立,互不干扰。基于这些不同通道的力学响应,有潜力配合调控出复杂的腿部运动。这些初步的动物实验验证了SIROF柔性平面神经接口器件在电刺激应用上的可行性,为实现大鼠腿部的瘫痪康复打下了基础。5、首次研究了活体骨骼肌瘫痪恢复的分子层面证据。在同步辐射条件下,利用不同类型柔性神经接口器件进行大鼠腿部静态力学实验的同时,收集不同条件下肌纤维收缩的X射线衍射数据。刺激频率为75 Hz时骨骼肌能得到相对较好的力学响应的分子机制是肌球蛋白M3峰的强度是所有刺激频率中最大的。比较不同类型的神经接口器件引起的肌球蛋白的移动情况,给出了骨骼肌瘫痪恢复时选用对应神经接口器件的理论依据。即神经接口器件的设计与选用要基于能够使刺激电流在肌肉内分布更均匀、更接近于神经自然控制状态的原则。在此基础上,利用柔性微电极阵列神经接口器件的双极电刺激配置在骨骼肌瘫痪恢复方面具有独特的优势。