微纳米技术在神经电极组织界面的应用

神经电刺激和记录装置正在被广泛地应用在诸多领域,如脑机接口和神经假体等。

通过它们的研究能帮助人们更加深入地理解神经系统,并且能够使有神经系统缺
陷的患者恢复一定的运动或感知能力。

植入式神经装置的快速发展需要有更加先进的电极制备技术来保证电极在长期植入过程中的可靠性,这是本世纪面临的一
个重大的科学挑战之一。

然而,目前有两个问题严重阻碍着植入式神经装置的临
床应用：一个是神经电极的电化学性能；另一个是由于组织反应造成的电极性能的下降。

# ONE
植入式神经电极可以单神经元的高空间分辨率和亚毫秒级的高时间分辨率来记
录和调节神经活动，这是神经科学研究领域最广泛的窗口。

然而，常规硬质电极和软神经组织之间的机械失配会导致炎症反应和慢性记录中信号的降解。

尽管在神经信号的感测和调节方面取得了重大突破，但是神经电极-组织界面的长期稳
定性和慢性炎症反应仍需要进一步发展。

# TWO
对神经电极的主要研究内容如下：
1、采用有效、可靠的电化学方法,在Na2HPO4溶液中通过不对称脉冲对铱电极进行氧化,制备了活化氧化铱电极(AIROF)。

这种活化氧化铱电极具有非常高的安
全电荷注入密度(Qinj,～4.1 mC／cm2),以及非常优异的机械和电化学稳定性。

并
且电极(d=100μm)在1 kHz时的阻抗相比活化前降低了～92%。

因此,这种活化氧
化铱电极非常适合在神经电刺激和记录装置中使用。

然而,由于金属铱非常坚硬,并且延展性差,不宜加工成型,难以实线电极的阵列化,因此在铱基体上活化氧化
铱不是一种非常理想的方法。

另一种更加简单、可行的方法是电化学沉积法。

这种电沉积的氧化铱电极(EIROF)具有较高的安全电荷注入密度(～2.6 mC／cm2),以及较好的机械和电化学稳定性。

并且电极(d=100μm)在1 kHz时的阻抗相比于电沉积前降低了～92%。

此外,电极
在非常宽的pH范围(1～13)内具有较好的超能斯特响应。

这种电沉积技术可以和薄膜技术以及微机电系统(MEMS)联用,有利于神经电极的微型化发展。

2.发展新的电极材料和电极修饰技术对于提高植入式神经装置性能的长期稳定是十分重要的。

为此,我们研究了采用电化学方法共沉积聚吡咯和单壁碳纳米管(PPy／SWCNT)来增强电极／神经界面的方法。

这种PPy／SWCNT复合电极的安
全电荷注入密度达到了～7.5 mC／cm2,并且在1 kHz时具有非常低的界面阻抗以及很好的稳定性。

通过大鼠肾上腺嗜铬细胞瘤(PC12细胞)的钙黄绿素染色和扫描电子显微镜(SEM)观察,发现了细胞在PPy／SWCNT复合材料上具有较好的贴附和突触分化、生长。

此外,本文还通过六周的植入实验研究了材料在大鼠大脑的免疫组化情况。

结果发现,相对于铂植入体(n=8)来说,在修饰了PPy／SWCNT后的植入体(n=11)周围100μm的范围内,组织的胶质纤维酸性蛋白(Glial Fibrillary Acidic Protein, GFAP)表达要明显较轻,而神经元特异性核蛋白(Neuronal Nuclei, NeuN)要明显较强,且均有显著性差异(P<0.05)。

这说明了这种PPy/SWCNT非常适合作为长期植入的高电荷注入密度的神经电极材料。

更重要的是,这种方法可以和其他的修饰技术联用,构建更加理想的电极／神经界面。

3.阻碍神经装置应用的一个重大难题是长期植入后由于生物相容性不佳而引起的装置性能的衰退。

# THREE
结论
团队已经通过一种简单且可重复的电沉积方法成功地证明了PEDOT：CNF复合材料在金微电极阵列上的可行性。

PEDOT用于一步法将氧化的碳纳米纤维作为掺杂剂电化学捕获，而无需耗时的多步过程。

CNF和PEDOT的组合在复合物中的两种组分之间产生了强大的协同作用，从而导致了卓越的电化学性能，同时具有低阻抗，高电荷注入能力以及可靠的神经递质监测功能。

这项研究的结果表明，PEDOT：CNF复合材料具有巨大的潜力，可开发用于神经治疗的下一代微电极。

我们目前正在体内运行研究表明，植入到大脑皮层的PEDOT：CNF微电极可以在与单个神经元一样小的区域中以极高的信噪比检测神经元活动。

我们还设想使用PEDOT：CNF微电极使用快速扫描循环伏安技术在体外和体内监测神经化学物质。