師 黎 ，陳建威，王松偉

(鄭州大學(xué) 電 氣工程學(xué)院，河南 鄭 州450001)

0 引言

大腦是生物體內(nèi)最復(fù)雜的系統(tǒng)［1］.研究大腦復(fù)雜的信息處理機(jī)制，往往需要獲得足夠數(shù)目的神經(jīng)元電活動信息.植入式微電極陣列可以同時獲得多個神經(jīng)元的電活動信息，是大腦相關(guān)神經(jīng)機(jī)制研究的重要手段［2］.微絲電極陣列是電生理實(shí)驗(yàn)中的易耗品.目前高性能的電極陣列主要依賴進(jìn)口，價格昂貴;而微絲電極陣列是植入式微電極陣列中低端類型的一種，具有成本低，品種多樣，適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)［3］

前期制備的電極，采用手工排列得到微絲陣列，最后使用手術(shù)剪刀進(jìn)行前端切割.這是一種在國內(nèi)電生理實(shí)驗(yàn)室廣泛采用的微絲電極制備方案［4-5］.電極植入活體后，隨著時間增加，其記錄性能會逐漸變差直至失效［6］.因此，需要對影響電極記錄的因素進(jìn)行分析，涉及電極周圍的組織、電極材料和電極—組織界面三個方面.當(dāng)電極植入到腦組織中，會引起急性反應(yīng)［7］和慢性反應(yīng).慢性反應(yīng)會降低電極長期記錄性能［8］.

2001年P(guān).JRousche等［9］認(rèn)為電極的尺寸和橫截面都會對組織反應(yīng)產(chǎn)生影響.Jonas Thelin等［10］于2011年的研究表明電極的尺寸將會強(qiáng)烈影響神經(jīng)系統(tǒng)的組織反應(yīng)，指出較小的尺寸引起較小的組織反應(yīng).2013年Suozhuwo等［11］提出一種簡易的電極制備方案，并使用剪刀切割電極尖端.因此，需改進(jìn)電極的制備工藝，采用微切割工藝提高電極尖端表面的光滑度.對于電極—組織界面的研究已久，1968年David就提出了電極—組織界面的等效模型，指出電極—組織界面影響電極的記錄性能［12］.2010 年 SCOTT FRANCIS LEMPKA指出記錄電極的長期性能依賴于電極—組織界面的組分，并建立了更完善的電極—組織界面模型［13］.2012年Abhishek等通過非生物的和生物的指標(biāo)分析了電極失效的原因，指出電極—組織界面是影響電極長期記錄性能的重要因素［14］.以上研究均忽略了對電極尖端進(jìn)行表面修飾.

利用微加工模具進(jìn)行電極制備工藝的改進(jìn);采用微切割工藝進(jìn)行電極尖端切割;采用導(dǎo)電聚合物對切割后的電極尖端進(jìn)行表面修飾.建立尖端修飾后電極—導(dǎo)電聚合物—電解液的阻抗模型，并對電極的屬性、信號采集能力和生物相容性進(jìn)行系統(tǒng)地評價.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

1.1 電極制備

微絲電極原制備工藝:①對實(shí)驗(yàn)臺和所用器械消毒;②剪絲;③取電路板，固定，涂膠;④排絲，穿孔，焊接;⑤反面，重復(fù)③和④;⑥焊接后端接口;⑦采用手術(shù)剪刀將電極裁剪.

改進(jìn)后電極的制備工藝:①將實(shí)驗(yàn)臺和所用器械消毒;②微組裝;③微焊接;④反面，重復(fù)②;⑤微切割.電極材料為鎳鎘合金絲.如圖1所示為16個記錄通道電極陣列.

圖1 電極圖Fig.1 The electrode pattern

電極尖端的阻抗和形態(tài)直接影響電極的性能.由于電極絲的直徑為39μm，因此，需在掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopes，SEM)下對電極尖端進(jìn)行觀測.圖2為電極尖端在SEM下的照片.

圖2 電極尖端照片F(xiàn)ig.2 The electrode tip photos

從圖2可以看出，剪刀剪切的時候會出現(xiàn)粘連現(xiàn)象.而微切割截面平滑整齊且電極尖端周圍絕緣層形態(tài)完好.微切割能夠更好地提高電極的電化學(xué)性能;更好地提高電極的生物相容性.

1.2 電極尖端修飾與阻抗模型的建立

導(dǎo)電聚合物(Conductive Polymer，CP)聚吡咯具有導(dǎo)電性能和生物相容性良好等優(yōu)點(diǎn)，采用NeuroNexus的niPOD對電極尖端進(jìn)行修飾，使其尖端附著聚吡咯，進(jìn)而改進(jìn)電極的性能.當(dāng)金屬置于電解液中后，金屬和電解液的界面就會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并在該界面形成雙電層的電荷分布.鍍膜修飾后，電極尖端被聚吡咯包裹，呈現(xiàn)疏松多孔結(jié)構(gòu).建立修飾電極—導(dǎo)電聚合物—電解液阻抗模型［15］如圖3 所示.

該電路元件有:容液電阻Rs;鍍層電容CC;孔電阻RPore;雙電層界面電容ZCPE;電荷轉(zhuǎn)移電阻Rt和有限擴(kuò)散阻抗ZT(包括CT和RT).

由圖3可得電極—導(dǎo)電聚合物—電解液的阻抗用公式表示為

圖3 電極—導(dǎo)電聚合物—電解液界面的等效電路模型Fig.3 The equivalent circuitmodel of electrode-CP-electrolyte interface

式中:ρ是溶液的電阻率(生理鹽水的電阻率為72 Ω·cm);r是半徑.

式中:ε0是真空中電介質(zhì)的介電常數(shù)(也叫做電容率，8.854 19 ×10-12F/m);εr是兩個極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù);d是它們之間的距離.

界面電容:界面電容由雙電層電容和擴(kuò)散電容串聯(lián)組成［15］.用公式表示如下

式中:dOHP是雙電層的厚度;ε0是真空的介電常數(shù);εr是雙電層的介電常數(shù);z是溶液中離子攜帶的電荷;V0外加電極的電位;Vt是熱電壓.LD由下面的公式給出

式中:n0是溶液中離子的體積濃度;q是基本電荷;k是Boltzmann常數(shù).

電荷轉(zhuǎn)移電阻:電荷轉(zhuǎn)移電阻Rt可以計算為

這些電流的大小被稱為平衡交換電流密度J0(單位為A/cm2)和熱電壓Vt=kT/q=0.025 9 V.

循環(huán)伏安法被用來測定J0.假設(shè)電荷轉(zhuǎn)移來自H2O的電解和O2的還原根據(jù)2H2O?O2+4H++4e-，z的值設(shè)為4， (8)

有限擴(kuò)散元件ZT可以用擴(kuò)散時間常數(shù)τT(τT=RTCT)，擴(kuò)散的虛擬電容CT和擴(kuò)散電阻RT來描述［15］，

對未修飾電極和修飾電極進(jìn)行多次體外電化學(xué)阻抗譜測量，并計算理論上的阻抗譜.得到圖4中等效模型的電化學(xué)阻抗譜與測量的阻抗譜如圖4所示.圖4(a)灰色區(qū)域表示測量的阻抗譜的范圍，黑線是理論計算的阻抗譜;(b)灰色區(qū)域表示測量的相位譜的范圍，黑線是理論計算的相位譜，由圖4可知，電極—導(dǎo)電聚合物—電解液的等效電路模型對于評價電極的電化學(xué)性能是有意義的.

圖4 電化學(xué)阻抗譜Fig.4 Electrochem istry impedance spectrum

未修飾電極和修飾電極的材料、制備工藝和切割方法相同.隨機(jī)選取修飾電極和未修飾電極各5個，阻抗測試實(shí)驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)生理鹽水中進(jìn)行，未修飾電極和修飾電極在1 kHz下阻抗值如表1所示.

修飾后阻抗降低率平均為56.1%.未修飾電極和修飾電極的電化學(xué)阻抗譜如圖5所示.

表1 未修飾電極和修飾電極在1 kHz下的阻抗Tab.1 The im pedance value of unmodified electrode and modified electrode at 1 kHz MΩ

圖5 未修飾電極和修飾電極的電化學(xué)阻抗譜Fig.5 Electrochem ical im pedance spectrum of unm odified electrode and modified electrode

從圖5可以看出，隨著頻率的增加，電極的阻抗逐漸減小，電極呈現(xiàn)高通特性.在整個頻域(100～104Hz)修飾電極的阻抗都比未修飾電極的阻抗低，相位延遲小，有利于電極有效地工作.

1.3 慢性植入手術(shù)

選取體重為200～300 g的LE(Long Evans)大鼠作為實(shí)驗(yàn)對象.將未修飾電極和修飾電極總共10個電極分別植入到10只大鼠初級視覺皮層.大鼠性別相同、狀態(tài)相近.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 信號采集與分析

采用信噪比和記錄壽命2個指標(biāo)評價電極的信號采集能力.植入手術(shù)結(jié)束后，待大鼠身體狀態(tài)恢復(fù)(約1周)以后，定期采集信號.

信噪比指出了電極從隨機(jī)的背景噪聲中辨別實(shí)際神經(jīng)元動作電位的可用的動態(tài)范圍，信噪比計算為動作電位的峰峰值除以噪聲基底值均方根［16］.未修飾電極和修飾電極信噪比如圖 6所示.

圖6 未修飾電極與修飾電極信噪比隨時間變化圖Fig.6 The SNR of unmodified electrode and modified electrode during duration

從圖6可以看出，隨著植入時間的增加，信噪比的變化趨勢是先下降然后再上升，最后基本保持不變，并且，修飾電極信號的信噪比要比未修飾電極信號的信噪比高，說明修飾電極的信號采集能力要優(yōu)于未修飾電極的信號采集能力.

電極的記錄壽命是指電極能夠記錄到大量動作電位的持續(xù)天數(shù)［17］.未修飾電極的記錄壽命較短，平均為17 d，修飾電極記錄壽命較長，最長為45 d，平均為40 d，修飾電極的平均記錄壽命比未修飾電極的平均記錄壽命約提高了1.4倍.

2.2 生物相容性分析

神經(jīng)膠質(zhì)纖維酸性蛋白(Glial Fibrillary Acidic Protein，GFAP)是星形膠質(zhì)細(xì)胞活化的標(biāo)記物.當(dāng)電極植入腦區(qū)后，會引起星形膠質(zhì)細(xì)胞的增殖和聚集［18］.對修飾電極大鼠和未修飾電極大鼠腦組織分別做GFAP標(biāo)記.在熒光顯微鏡下觀察，如圖7所示.

從圖7可以看出，未修飾電極測點(diǎn)周圍星形膠質(zhì)細(xì)胞聚集程度高于修飾電極測點(diǎn)星形膠質(zhì)細(xì)胞聚集程度.說明未修飾電極對組織的傷害大于修飾電極對組織的傷害.表明修飾電極生物相容性優(yōu)于未修飾電極的生物相容性.

3 討論

從電極制備和電極尖端表面修飾兩個方面對現(xiàn)有制備工藝進(jìn)行改進(jìn)，并對其屬性、信號采集能力和生物相容性進(jìn)行系統(tǒng)地評價.結(jié)果表明，電極尖端表面光滑度提高;尖端修飾電極的阻抗平均降低56.1%，提高了記錄信號的信噪比;驗(yàn)證了修飾電極的阻抗模型的有效性，說明修飾電極具有良好的電化學(xué)性能;修飾電極記錄壽命達(dá)到45 d，比未修飾電極約提高1.4倍;修飾電極植入腦區(qū)后，組織反應(yīng)更小，說明它的生物相容性更好，能夠滿足一般電生理實(shí)驗(yàn)的要求.進(jìn)一步優(yōu)化電極設(shè)計、提高電極植入水平，進(jìn)而改進(jìn)電極的性能，提高電極的記錄壽命是下一步的研究方向.

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