高灵敏度可拉伸聚合物微电极阵列的构筑及其神经检测与刺激应用研究

Neural-electrodes are the key devices in information communicating between the biological tissues and the outside devices. Sensitivity is the key performance parameter of the neural electrode. Currently, modify the electrode with nano-particles or conductive polymer layer are the main way to improve the sensitivity of the electrodes. But there are still several problems laying ahead: 1) with decreasing the dimension of the electrode (diameter < 10 μm), its impedance increased and the sensitivity declined dramatically, as a result, the electrode cannot be used to measure the micro-area of the brain or single neural fiber. 2) the modified materials are easy to detach from the electrode surface. 3) poor bio-compatibility, which affect the sensitivity and stability of the electrodes. In the preliminary experiment, we have demonstrated that the impedance and bio-compatibility of the electrode can be obviously improved by in-situ electro-polymerization of conductive polymer nanowire arrays on the polymer membrane. Furthermore, the nanowires are not easy to detach from the membrane surface. Therefore, in this proposal, we try to increase the sensitivity and bio-compatibility of the neural micro-electrodes by the polymerization of conducting polymer nanowires on the electrode’s surface and optimizing the period, dimension and charge transfer property of the nanowires. Finally, we try to realize the fabrication of high sensitivity all-polymer based neural micro-electrode, and use it to monitor the different micro-area of brain and single neural fiber. The success of this proposal will provide strong support to the “human brain plan”, neural restoration and bioelectronics.

神经电极是实现生物组织与外界设备信息交流的关键界面器件，电极的灵敏度是影响其性能的关键参数。目前，人们通过在电极表面修饰纳米颗粒，或聚合物导电层来提高其灵敏度，但仍有以下问题：1）电极尺寸减小后（直径<10微米），其交流阻抗升高，灵敏度显著下降，难以实现对大脑不同微区及单根神经束的检测。2）修饰材料容易从电极表面脱离，3）生物相容性差。申请人团队的前期实验表明通过在导电高分子薄膜表面原位聚合纳米线阵列，能够显著降低其交流阻抗，同时增加细胞在其表面的存活率，提高生物兼容性，并且纳米线不易脱落。因此，本项目拟通过在聚合物电极表面原位聚合导电高分子纳米线阵列结构，调节其周期，尺寸及电荷迁移能力等参数，降低电极的交流阻抗，提高灵敏度和生物兼容性。最终，实现高灵敏度全聚合物神经微电极阵列的制备，并应用于大脑各微区及单根神经的检测和刺激，为脑科学、神经修复和生物电子医疗等科技前沿提供支持和保障。

神经电极是实现生物组织与外界设备信息交流的关键界面器件，针对目前1）电极尺寸减小后（直径<10 μm），其交流阻抗升高，灵敏度显著下降，难以实现对大脑不同微区及单根神经束的检测。2）修饰材料容易从电极表面脱离，3）生物相容性差等问题。本项目选取导电聚合物中的聚吡咯作为电极导体材料，PDMS作为电极的基底材料。首先利用硅片的各向异性刻蚀，制作出带有不规则金字塔阵列的硅片，作为聚吡咯膜的模板。通过原位电化学聚合的方式，在硅片表面制作聚吡咯电极阵列，使膜表面带有金字塔结构，再在其电极位点处生长纳米线阵列。这种微纳符合结构可有效提高电极的表面积，降低其交流阻抗（比金电极低2-3个数量级）；同时该复合结构可有效提高电极的电荷存储容量，使其电学性能得到加强。其中本项目研究了聚吡咯薄膜的厚度、纳米线阵列的生长电流及生长时间等因素对电极阻抗的影响。随后，制备了表面具有规则金字塔结构的PDMS基底，结合预拉伸的方法，实现了制备电极的均向拉伸性（1000次机械加载下电极电阻率不变，均向拉伸率20%），实现了不同应变下可靠的全方向拉伸的性能，同时，项目也通过有限元模拟分析，验证了PDMS基底的金字塔结构对电极多向拉伸性的提升作用。最后，通过细胞实验和动物实验，证实了所制备电极良好的生物兼容性。为了证明电极的实用性，我们进一步将电极植入大鼠体内，记录其肌电信号和心电信号，证实了电极良好的电生理监测性能。该项目的顺利开展可为柔软可拉伸生物电极的开发提供有效参考方案，为脑科学、神经修复和生物电子医疗的发展提供有效工具。在项目支持下培养博士生2人，硕士生2人；发表SCI论文5篇；申请国家发明专利1项，授权3项；获中国复合材料学会科学技术二等奖1项。