针状脑部植入电极失效模式及其优化设计方法研究

Implantable neural microelectrode can be used for brain signal recording and neural stimulation, is one of the most potential key technologies in the field of brain machine interface. Short working life of the electrode is a worldwide concerned technical problem, which limits its widespread application. Among them, one of the bottlenecks of solving this problem is that the failure mode of the electrode is unclear, impeding the optimization design of the electrode. Based on the system point of view, from the perspective of whole life cycle of the electrode, this study intends to explore the effect of shape/structure, mechanical properties, surface/interface characteristics on microelectrode failure and build the failure mode and failure prediction model, reveal its failure mechanism, and put forward the corresponding electrode optimization design method. Main research includes modeling and simulation method in the process of electrode insertion into the brain tissue, as well as evaluation standard and method for insertion damage; evaluation method for mechanics suitability between the electrode and brain tissue and the law of its influence on electrode failure; the influence law of surface/interface optimization on the electrode failure; establishing the optimization design methods, design basis and design standards of the new type of long life electrode, building and verifying the parameterized electrode design model using numerical simulation, physical simulation and animal experiments. This project intends to get the prototype of long life neural electrodes from the perspective of failure study, at the same time enrich and develop the long life brain electrode design theory.

针状脑部植入电极可用于脑电信号采集与脑部电脉冲刺激，是脑机接口领域最具潜力的关键技术之一。电极寿命较短是限制其广泛应用的世界性技术难题。其中，缺少针对电极失效模式的电极优化设计方法是限制这一难题解决的瓶颈。本项研究拟基于系统的观点，从全生命周期的角度考察电极形状结构、力学特性、表面/界面特征对电极失效的影响，建立电极失效模式模型与失效预测模型，揭示其失效机理，并提出针对性的电极优化设计方法以减少电极失效诱发因素。主要研究：电极插入脑组织过程的建模和仿真方法，插入损伤的评价标准和评价方法；电极与脑组织力学匹配性的评价方法及其对电极失效的影响规律；电极表面/界面优化对电极失效的影响规律；提出新型长寿命电极的设计方法、设计依据和设计标准，获得参数化电极设计模型，通过数值仿真、物理模拟和动物实验验证设计的有效性。本项目拟从失效研究的角度获得长寿命神经电极原型，同时丰富和发展长寿命脑部电极设计理论。

植入式神经电极面临着功效性寿命较短的关键性技术难题，其中电极失效模式，植入损伤机制，电极优化设计缺少研究。本项目基于系统论的观点，主要从以下两个方面展开工作。（一）失效模式及植入损伤机制研究。针对失效模式，建立神经电极失效模式模拟测试平台，研究神经电极全生命周期中的故障传递因素与电极功能失效的量化关系，建立电极失效模式模型；针对植入损伤机制，首先研究力学相容性对脑组织微动损伤影响。其次研究电极的组合参数，包括针尖圆角，楔形角，电极厚度，刚度及表面摩擦系数对脑组织微动损伤的综合影响，其中电极最优参数组合为圆角20um，楔形角45°，厚度45um，杨氏模量200GPa，摩擦系数为0.1。最后提出涂层与植入损伤的耦合优化方法，电极包覆抗纤维化药物涂层设计可以解决电极植入后的表面纤维化问题，同时减少抗纤维化药物涂层带来的植入损伤。（二）电极优化设计方法。电极优化手段主要通过涂层修饰及本体结构优化设计。基于最优组合参数神经电极，研究丝素蛋白，海藻酸钠，麦芽糖三种不同的可生物降解涂层对电极与脑组织力学适配性的影响。同时提出复合涂层涂覆新型柔性神经电极的设计方法与制造工艺。在涂层性能评价方面，结合分析材料，楔形角，厚度等参数，根据实际情况对因素设置不同影响因子，进行全面客观的参数最优选择。设计新型的多柄鱼骨结构，通过数值仿真和实验手段，证明鱼骨结构能够增加电极位点数目，提高电学性能，对脑组织产生的应变，应力和变形相对于原鱼骨电极分别降低了73.23%，48.78%，和76.92%。同时选用光敏聚酰亚胺为基底材料，通过MEMS工艺制造一种网状柔性神经电极，实现电极由刚至柔的跨越。以上两种电极原型可有效降低脑组织微动损伤与植入损伤，预计可提高电极长期工作寿命。本项研究丰富和发展了电极失效分析与优化设计理论和方法，初步获得了长寿命电极的设计准则和设计依据，建立了仿真和模拟实验评价手段，对于发展长寿命植入式脑部电极具有积极推动作用。