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据国家权威部门统计,我国现有盲人约500万,并以每年45万新增患者的速度在增长,其中有近四分之一的患者因视网膜病变造成的。近年来,随着微加工技术和临床眼科手术学的不断发展,人造视网膜芯片使得由于视网膜退化等眼疾特别是由于视网膜色素变形(RP)和老年黄斑变形(AMD)引起导致的盲患者恢复视觉成为可能。人造视网膜芯片通过微电极阵列施加刺激的方法将眼睛外的视界影像转化为微电极上的工作电流,继而对患者视网膜上残余的正常神经细胞进行刺激,形成人造视觉。作为人造视网膜芯片的关键部件,微电极阵列的制作已成为人造视网膜系统研究中的热门方向。目前国际上一般使用制造工艺较简单的平面或柱型电极,但由于电极材料电荷传输能力的限制,这种方法不得不提高单个电极的面积以避免过大的电流刺激对电极和视网膜组织的损坏,因而这种类型的电极在高密度电极阵列发展要求上受到了极大的限制。相对于平面电极,三维针尖电极可以有效的解决这些问题。首先,由于针尖突起的效果,三维针尖电极可以和神经节细胞形成良好贴合和接触;其次,突起所造成的有效工作面积比具有相同底部面积的平面电极大,因而在同样的电流密度刺激下能够提供较大的工作电流;此外,三维针尖电极由于针尖电流集中的效应,有利于增加刺激信号的信噪比,提高刺激效果。尽管目前世界上已有一些三维微针尖电极阵列成功的样品,但这些结构大多基于硅刚性衬底,以硅基微加工实现,容易导致植入过程中植入体对视网膜组织造成损伤,植入后也容易产生移位,引起人造视觉性能的降低,甚至完全丧失。更为严重的是,若芯片相对视网膜运动时,会对附近正常细胞造成不可逆的生理损坏,导致严重的术后并发症。此外,硅材料的生物兼容性较差,电荷输运能力也不强,并不能够满足实用化人造视网膜芯片的需要。
本文结合微电子学在人造视网膜芯片前沿探索研究工作,首次提出了在C型聚对二甲苯( Parylene C)柔性互连基底形成三维金属微针尖电极结构的方法。首先,该方法既实现了良好电学互连和隔离以及电极电荷输运能力,同时这种微电极的针尖形貌结构,增大电极与神经细胞的有效工作面积,提高刺激的信噪比,增加电刺激效果;其次,在工艺研究过程中,开发了成本较低、工艺简单、具有柔性互连基底的三维Ti/Au/Pt金属微电极的微加工流程,提出了在无需超声辅助的条件下,用基于铝一光刻胶的剥离方法实现了Parylene C上的Pt等贵金属的图形化;此外,由合作单位协和医院通过该芯片长期的动物植入实验表明所研究包括Parylene C、Ti、Au和Pt的三维针尖芯片结构在眼内具有较好的生物安全性和长期稳定性。目前,本文已经制作出基于Parylene C柔性衬底4×5的三维针尖铂电极阵列,针尖底部圆盘直径为100微米,高度约85微米,针尖曲率半径约为5微米的针尖形貌。并成功的进行了电生理和动物植入的相关测试实验。实验结果表明三维针尖阵列的阻抗性能优于平面电极阵列。该方法正在进一步提高和完善中,有望在不久的将来可以替代平面电极阵列,应用到在大规模、高密度人造视网膜芯片中。