针状脑部植入电极微动机制及其控制方法研究

针状脑部植入电极可广泛应用于脑电信号采集与脑部电脉冲刺激，是治疗神经系统疾病最有潜力的关键技术之一。目前的电极功能寿命仅为数周到几个月，电极的长期有效性问题已成为限制其发展的世界性科学难题。电极在生物体内的微动及其引起的生物反应是影响其功能寿命的重要因素。本项目拟通过微动机制和微动控制方法的研究，解决电极力学相容性与界面多功能耦合等关键科学问题，提高电极功能的长期有效性。首先采用数字仿真和物理模拟方法研究电极的微动机制，揭示微动模式对脑组织损伤、疤痕组织形成、电极功能衰退的影响规律；其次，基于振动控制理论，从隔振、吸振与阻尼减振的角度研究电极的微动控制方法,提出"刚-柔复合结构"与"多功能耦合结构"设计方案，通过微纳制造技术的集成创新，实现电极微动的有效控制；通过仿真、模拟和动物实验验证其有效性。本项目可为解决针状脑部植入电极的功能寿命问题提供新的方法，同时丰富和发展脑部电极长效设计理论。

本项研究的重点是通过对影响电极失效的重要因素“微动”进行有效控制，以提高针状脑部植入电极的使用寿命。主要从两个方面开展了工作，（一）是基于振动控制理论，从整体结构设计上对现有电极进行优化和创新设计，减少其在使用过程中微动的发生，进而避免或减轻组织包裹的发生，延长其寿命，设计并制造了基于柔顺结构的减振神经电极、基于刚柔结构的神经电极、基于薄板结构的新型减振电极，这些电极可以有效改善横向和纵向的微振动环境下的应力、应变状态，减轻对脑组织的损伤，在一定程度上达到延长电极使用寿命的目的，仿真计算表明新型电极可以有效改善微振动环境下的应力状态且固有频率避开微振的频率范围，减振神经电极的方案在纵向微振环境下：脑组织的有效降低最大应力降低36.6%，脑组织的最大位移量降低43.4%；横向微振环境下：脑组织的有效降低最大应力从476.848Pa降低到422.666Pa，降低比例约为11.4%；此外，对电极的植入过程、以及电极设计参数可能造成的植入损伤作了探索性研究，建立了神经电极植入损伤评估实验系统，基于数字图像相关法，研究脑组织模型在不同电极形状参数和植入速度下的变形场，结果表明较小的楔形角、外凸流线型和较高的植入速度有利于降低电极植入损伤。（二）是从界面设计的角度出发，采用功能性纳米材料掺杂导电聚合物对神经电极位点进行修饰，以提高电极电导率，延长其使用寿命，所制备的修饰涂层可以有效提高电极在微动环境的电学性能，并通过表面设计提高了其在微动条件下的机械稳定性，具体而言：多壁碳纳米管掺杂的聚苯胺复合膜修饰电极表面电荷密度比传统聚苯胺修饰电极提高约14倍、1 kHz 频率处界面阻抗降低到原来的1/8；二氧化锰掺杂的聚苯胺复合膜修饰电极表面电荷密度提高7倍、掺杂后界面阻抗仅为原来的1/6；粗糙化铂基底聚苯胺修饰电极的表面电荷密度比光滑铂基底提高了5.6倍、1 kHz处的界面阻抗降低了1/2，三种修饰电极的稳定性相比传统聚苯胺修饰电极均有所提高。本项目建立了电极在微动环境下的评价方法，并搭建了实验平台；建立了电极-脑组织界面微动条件下的建模与力学分析方法；初步建立了基于微动控制的电极优化设计方法，并验证了设计方法的有效性；获得了性能优异的电极表面修饰涂层，完善了相关的电极表面/界面设计与制备方法；研究结果可为针状脑部植入电极的优化设计提供理论指导。