章宗穰

(上海師范大學(xué)化學(xué)系，上海200234)

2010年秋，我接到在美國洛杉磯工作的旅美華裔學(xué)者周道民(David Zhou)博士來信，談起他參與研究開發(fā)的幫助盲人恢復(fù)視力的ArgusTMII型植入式視覺修復(fù)微芯片系統(tǒng)，經(jīng)美國食品藥品檢驗局(FDA)批準(zhǔn)，正在進(jìn)行人體試驗，進(jìn)展順利.并告知，Springer出版社約請他和美國橡樹嶺國家實驗室Greenbaum博士共同主編的《可植入神經(jīng)修復(fù)器件》(Implantable Neural Prostheses)兩卷集已出版.周道民博士是我在上世紀(jì)80年代初的學(xué)生，后來又共事數(shù)年.80年代末去英國深造，研究生物傳感新技術(shù)，獲得博士學(xué)位，并在英國進(jìn)行博士后研究.之后轉(zhuǎn)赴美國洛杉磯工作，一直在當(dāng)?shù)氐腟econd Sight公司從事聽覺和視覺神經(jīng)修復(fù)的植入式微芯片系統(tǒng)的研究開發(fā).植入耳蝸的聽覺修復(fù)微芯片系統(tǒng)(人工耳蝸)已在美國、歐洲和亞洲市場銷售，惠及不少聽覺障礙患者.前幾年他回國時，曾向我們作過介紹.相對人工耳蝸而言，人工視覺的研發(fā)難度極大.世界各國的研究團(tuán)隊從視覺通路的不同部位著手開發(fā)人工視覺系統(tǒng).目前進(jìn)展最快的是基于刺激視網(wǎng)膜的人工視覺系統(tǒng).植入視網(wǎng)膜表面的由60個微電極組成的ArgusTMII型視覺修復(fù)微芯片系統(tǒng)在進(jìn)行了多年動物試驗的基礎(chǔ)上，經(jīng)FDA批準(zhǔn)于2007年開始為期3年的人體試驗.已有32位來自美國、歐洲和墨西哥的志愿者接受了植入試驗.研究工作得到了美國國立衛(wèi)生研究院(NIH)、能源部(DOE)和自然科學(xué)基金會(NSF)的支持.他們在這方面的工作進(jìn)展在國際上受到關(guān)注和高度評價.目前，該系統(tǒng)已獲準(zhǔn)在歐洲上市銷售，成為世界上首例產(chǎn)品化的人工視覺系統(tǒng).在美國上市的申請正在順利進(jìn)行中.

上世紀(jì)90年代以來，這一涉及多個科技和工程前沿的新興領(lǐng)域引起了有志于幫助殘障人士部分恢復(fù)感官功能的各國學(xué)者和工程技術(shù)人員及企業(yè)界的關(guān)注和參與，在基礎(chǔ)研究和工程技術(shù)方面都取得了巨大進(jìn)展，其市場前景也未可限量.Springer出版社有鑒于此，特地約請在基礎(chǔ)研究和工程技術(shù)開發(fā)方面都有所建樹的周道民博士和Greenbaum博士共同主編了《Implantable Neural Prostheses I——Devices and Applications》和《Implantable Neural Prostheses II——Techniques and Engineering Approaches》兩卷集，以推進(jìn)該領(lǐng)域的科學(xué)家和工程技術(shù)人員之間的學(xué)術(shù)交流.該書的第一卷著重于微芯片器件和系統(tǒng)的設(shè)計、制作和應(yīng)用，第二卷則著重于加工制作的材料、工藝和工程方面的探索.2011年春節(jié)期間，周道民博士回國探親，期間曾與我會面，并惠贈他的兩卷集專著，還介紹了這一前沿領(lǐng)域的研究開發(fā)近況.前些時候，我瀏覽了這兩卷內(nèi)容豐富的書籍，得知世界各國學(xué)者、醫(yī)生和工程技術(shù)人員所報道的各自研究開發(fā)工作中的成果和心得.第一卷中還有一篇介紹美國及歐洲在制訂植入式醫(yī)學(xué)器件標(biāo)準(zhǔn)及臨床試驗規(guī)程方面情況的文章也值得參考.本文擬對這一頗有參考價值的專著作一簡略介紹，以饗諸位讀者.

在神經(jīng)科學(xué)家、電化學(xué)家和微電子、材料及生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域科技人員的多年合作努力下，目前已開發(fā)的植入式神經(jīng)修復(fù)微芯片系統(tǒng)包括聽覺和視覺神經(jīng)修復(fù)、肢體神經(jīng)修復(fù)、脊髓神經(jīng)修復(fù)和腦部深層植入等領(lǐng)域.開發(fā)過程中涉及諸多基礎(chǔ)科學(xué)研究和工程技術(shù)問題，諸如:微電子器件和植入部位生物組織界面的兼容和電信號傳遞，器件及材料的選擇及其生物兼容性和穩(wěn)定性，器件封裝材料以及封裝工藝的密封性，器件和封裝材料在體液環(huán)境中的腐蝕和防腐，神經(jīng)刺激的電化學(xué)技術(shù)及表征，微電極陣列系統(tǒng)的現(xiàn)場電化學(xué)測試以及數(shù)據(jù)記錄、解析及無線傳輸?shù)?微型傳感器及微型生物傳感器在植入式微芯片系統(tǒng)中的應(yīng)用也是具有實際意義的研究課題.以視覺神經(jīng)修復(fù)微芯片系統(tǒng)的工作原理為例，外部圖像經(jīng)安裝于特制眼鏡上的微型攝像機(jī)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，經(jīng)電磁場射頻無線傳輸?shù)街踩胗谝暰W(wǎng)膜表面或其后部的光學(xué)神經(jīng)的微芯片系統(tǒng)，相應(yīng)的電刺激信號經(jīng)電極/組織界面作用于視網(wǎng)膜或光學(xué)神經(jīng)，再傳輸?shù)较鄳?yīng)的腦部視覺皮層，最終轉(zhuǎn)換成患者所接收的外部圖像.這一復(fù)雜而精細(xì)過程的每一步都極為精細(xì)和縝密.從提高視覺修復(fù)的圖像分辨率來考慮，必須提高每mm2的像素數(shù)量.理想的設(shè)計需將面積為5 mm×5 mm的微芯片上的電極數(shù)量從目前的60支至少提高到1000支以上.目前正計劃進(jìn)行包含200支電極或更高密度微電極陣列的設(shè)計制作.如此高密度的微電極陣列不但要解決微型電極陣列的設(shè)計和加工問題，如何克服由于電極間隙的縮小所導(dǎo)致的電極之間的電信號交聯(lián)，更是一個極為復(fù)雜的理論和工藝問題.由于植入式醫(yī)療器件是在與體液直接接觸的特殊環(huán)境中工作，而不是像多數(shù)集成電路器件那樣在空氣中工作，器件封裝稍有差池，便會涉及諸多電化學(xué)反應(yīng)，如此高密度的電極間的電信號交聯(lián)現(xiàn)象的出現(xiàn)變得更為常見，這些都是研究人員所面臨的嚴(yán)重挑戰(zhàn).兩卷集專著所刊載的一些論文分別就上述論題進(jìn)行了探討.

各類患者對植入式神經(jīng)修復(fù)微芯片系統(tǒng)的需求推動著研究工作的快速進(jìn)展.以視覺修復(fù)器件為例，據(jù)美國相關(guān)機(jī)構(gòu)統(tǒng)計，美國國內(nèi)15歲以上人群中，約有800萬人有視覺缺陷，其中有180萬人無法辨認(rèn)文字.因視網(wǎng)膜病變而造成視覺障礙者在其中占了相當(dāng)比例.新生兒中有視網(wǎng)膜病變者的比例約為1/4000.每年的經(jīng)濟(jì)損失約在40億美元以上.患者的個人痛苦則更不待言.植入式視覺修復(fù)微芯片系統(tǒng)有望為其中的一部分患者改善癥狀，解除痛苦和提高生活質(zhì)量.

我國科技人員對這一快速發(fā)展的新領(lǐng)域也極為關(guān)注，積極參與.兩卷集中也報道了上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系、中科院聲學(xué)研究所及北京大學(xué)附屬人民醫(yī)院眼科的科研人員和臨床醫(yī)生的合作研究進(jìn)展.

如同讀者近年來已熟知的生物芯片及微流控芯片那樣，植入式神經(jīng)修復(fù)微芯片系統(tǒng)與微型傳感器的研究開發(fā)及電化學(xué)技術(shù)有著相當(dāng)密切的關(guān)聯(lián).期望有更多關(guān)注這一領(lǐng)域的本刊讀者閱讀該書，以了解這一前沿領(lǐng)域的最新進(jìn)展，并與神經(jīng)科學(xué)家、電化學(xué)家及微電子、材料和生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的科技人員以及臨床醫(yī)生合作，參與研究開發(fā)工作.也期望有志于植入式醫(yī)療器件開發(fā)的企業(yè)投身這一新興領(lǐng)域，積極推動研究開發(fā)的協(xié)作.

應(yīng)本刊之約，周道民博士撰寫了神經(jīng)修復(fù)微芯片系統(tǒng)研究開發(fā)進(jìn)展的評述(見本期第249頁).

此兩卷集的主編、書名和國際標(biāo)準(zhǔn)書號如下:

Editors:David Zhou and Elias Greenbaum

《Implantable Neural Prostheses I——Devices and Applications》，ISBN 978-0-387-77260-8

《Implantable Neural Prostheses II——Techniques and Engineering Approaches》，ISBN 978-0-387-98119-2

有興趣的讀者可訪問Springer出版社的網(wǎng)頁(http://www.springerlink.com/content/978-0-387-77260-8/)，獲取更多信息及免費(fèi)閱覽部分章節(jié)以及已在刊物上發(fā)表的相關(guān)論文信息.

致謝:本文經(jīng)中國儀表學(xué)會《化學(xué)傳感器》編委會同意同步轉(zhuǎn)載，特此致謝.