曹張玉，石云波，徐 勝

(中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051)

0 引 言

柔性神經(jīng)刺激微電極主要是用于與神經(jīng)組織相接觸來治療各種疾病，為了微電極能夠滿足急性或慢性應(yīng)用的不同要求，需要結(jié)合生物醫(yī)學(xué)、電學(xué)、機(jī)械工程學(xué)以及化學(xué)等學(xué)科來優(yōu)化解決各種問題。同時(shí)，由于神經(jīng)電極植入于生物體內(nèi)，必須考慮電極材料的生物相容性和生物穩(wěn)定性。目前，神經(jīng)微電極通常采用柔性聚合物作為襯底材料［1，2］，常見的神經(jīng)電極有篩狀電極、卡夫電極、螺旋電極、劍狀電極以及針形電極陣列。本文主要從柔性神經(jīng)刺激微電極的類型、結(jié)構(gòu)及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行概述，提出柔性刺激微電極面臨的挑戰(zhàn)，并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

1 柔性神經(jīng)微電極的類型與優(yōu)缺點(diǎn)

1.1 篩狀電極

篩狀電極是一種神經(jīng)束內(nèi)電極，如圖1 所示［3］。它通常是通過平面微加工技術(shù)在硅片或聚合物材料上加工微孔陣列制作而成，其中微孔直徑通常為40 ～65 μm，每個(gè)微孔周圍再濺射一層金屬形成導(dǎo)電微電極。在使用當(dāng)中，需要先將待處理的神經(jīng)切斷，把電極安裝到神經(jīng)之間，神經(jīng)置于神經(jīng)生長導(dǎo)管中，然后神經(jīng)將沿著導(dǎo)管再生，穿過篩型電極后繼續(xù)生長直至與遠(yuǎn)端神經(jīng)愈合。篩狀電極主要用于神經(jīng)纖維內(nèi)信號檢測［4］和周圍神經(jīng)的再生研究［5～7］。

圖1 篩狀電極示意圖Fig 1 Diagram of sieve electrode

早在30 多年前就已經(jīng)對神經(jīng)再生做過研究，第一次出現(xiàn)是在1969 年，并在1974 年利用環(huán)氧電極對兩棲動(dòng)物做過調(diào)查［8］。在20 世紀(jì)90 年代的幾年中，基于聚酰亞胺的篩狀電極也被多人提到過［3，9］。1994 年，Kovacs G T 等人［10］利用神經(jīng)纖維的再生功能，將篩狀電極植于大鼠的腓神經(jīng)和蛙的聽神經(jīng)斷面中。Kovacs G T 觀察了不同直徑孔隙對神經(jīng)再生的影響，組織學(xué)切片顯示:8，16 μm 孔隙的篩狀電極僅有少量有髓神經(jīng)纖維穿過，多數(shù)為無髓纖維。而32，64，96 μm 孔隙的篩狀電極由再生的軸突重新組合形成了微束。電生理結(jié)果顯示，篩狀電極可以記錄到單個(gè)細(xì)胞的動(dòng)作電位，并在再生的神經(jīng)中，Gonzalez C 等人驗(yàn)證了篩狀電極可以作為記錄和刺激自主神經(jīng)系統(tǒng)的可用的神經(jīng)接口。

篩狀電極的優(yōu)點(diǎn)在于它在對神經(jīng)進(jìn)行檢測時(shí)，神經(jīng)穿過電極生長，所以，電極的位置固定，臨床實(shí)驗(yàn)中不會(huì)產(chǎn)生相對于神經(jīng)纖維的位移。但主要缺點(diǎn)是在對神經(jīng)進(jìn)行再生研究時(shí)，需要切斷健康神經(jīng)來進(jìn)行研究，有時(shí)研究的神經(jīng)可能無法再生而退化。另外，受電極孔徑和數(shù)目的影響，只有一部分神經(jīng)細(xì)胞能穿過電極生長，一定程度上阻礙了神經(jīng)細(xì)胞的再生。

1.2 卡夫電極

卡夫電極是一組絕緣管套型的柔性電極，在它的內(nèi)表面包括兩個(gè)以上的刺激位點(diǎn)，可以連接絕緣導(dǎo)線，如圖2 所示［11］?？ǚ螂姌O是使用精密加工在硅膠上集成鉑電極位點(diǎn)和不銹鋼導(dǎo)線制作而成。在使用當(dāng)中，將神經(jīng)束起來，利用內(nèi)壁的電極刺激神經(jīng)細(xì)胞，從而可以記錄到小信號的神經(jīng)束內(nèi)電信號。它主要是應(yīng)用于外圍神經(jīng)、復(fù)合動(dòng)作電位的記錄，運(yùn)動(dòng)神經(jīng)纖維的刺激以及肌肉的激活［12，13］。

圖2 帶有18 個(gè)刺激位點(diǎn)的卡夫電極Fig 2 Cuff electrodes with 18 stimulation sites

傳統(tǒng)卡夫電極的制作方法有以下幾種:將導(dǎo)線鍵合到硅膠管的內(nèi)壁上［14］;將導(dǎo)線纏繞在神經(jīng)的周圍并通過牙印?；衔镌谠恢蒙纤茉斐鰧?dǎo)線的模型［15］;在柔性的聚合物襯底上噴鍍一層金屬薄膜，并使用光刻工藝在薄膜上光刻出樣品的圖形［16］。這些方法制作出的電極只適用于較粗的神經(jīng)，而且很難做到微型化和高通量。隨著MEMS 工藝的發(fā)展，已經(jīng)成功地設(shè)計(jì)出了多種微型化的卡夫電極，并且自從Rodriguez Francisco J 等人成功地將卡夫電極植于老鼠的坐骨神經(jīng)6 個(gè)月，經(jīng)過組織學(xué)和電生理學(xué)方面的調(diào)查研究，沒有出現(xiàn)神經(jīng)損傷［17］。到目前為止，卡夫電極已經(jīng)成功地用于多重整體的神經(jīng)刺激研究，并在刺激［18，19］和傳導(dǎo)阻滯［20］期間，卡夫電極能使神經(jīng)纖維重復(fù)性復(fù)原。

與其它電極相比，卡夫電極對于植入活體有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):卡夫電極更容易植入和移除;卡夫電極的直徑容易改變，這就能確保電極與神經(jīng)之間的接口更加緊密。但卡夫電極在植入時(shí)所需的刺激電流較高，長時(shí)間應(yīng)用可導(dǎo)致神經(jīng)損傷;電極與神經(jīng)之間太緊可能會(huì)壓迫神經(jīng)，影響神經(jīng)供血［21］;記錄神經(jīng)干復(fù)合動(dòng)作電位時(shí)，肌肉選擇性差;對肌肉長時(shí)間的刺激，肌肉易發(fā)生疲勞。

1.3 螺旋電極

螺旋電極是用于迷走神經(jīng)刺激的電極，它包括一個(gè)絕緣的螺旋襯底，具有一層內(nèi)表面、可以被配置成環(huán)繞在神經(jīng)周圍的形狀，其中電導(dǎo)體沉積在絕緣襯底的內(nèi)表面，如圖3所示［22］。在使用當(dāng)中，將螺旋型的電極觸點(diǎn)固定于迷走神經(jīng)干，通過間斷的電刺激來治療一些神經(jīng)紊亂類的疾病，如難治性的癲癇病、抑郁癥和慢性心臟病等［23，24］。

圖3 螺旋電極陣列Fig 3 Helical electrode array

作為一種長期植入的電極，在商業(yè)方面，只有美國Cyberonics 公司產(chǎn)品獲得了FDA 批準(zhǔn)可以使用螺旋結(jié)構(gòu)的電極用于VNS 治療系統(tǒng)。到目前為止，已經(jīng)有大約80 000 個(gè)病人使用螺旋電極來治療他們的疾病，并且被治愈的病人也多達(dá)10 000 例。

與傳統(tǒng)的卡夫電極相比，螺旋電極有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):螺旋電極在神經(jīng)附近能夠進(jìn)行自我環(huán)繞，無需縫合，減小了植入手術(shù)困難和植入后對神經(jīng)的壓迫損傷;電極緊密地圍繞在神經(jīng)周圍，它的尺寸可隨神經(jīng)而變化，優(yōu)化了神經(jīng)與電極相抵抗時(shí)發(fā)生相對移動(dòng)而引起的磨損［25］;電極觸點(diǎn)可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)固定的位置，或通過電選通多觸點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)位置選擇。但螺旋電極的使用壽命有限，屆時(shí)需要手術(shù)更換螺旋電極，因此，它在移除的時(shí)候會(huì)引起神經(jīng)損傷［26］。

1.4 劍狀電極

劍狀電極是一個(gè)硅基的電極微探針，具有一個(gè)扁平的尖端，在電極的臂上分布著許多電極位點(diǎn)，如圖4 所示［27］。其制備工藝主要是通過DRIE 工藝，以聚酰亞胺為基底的劍狀電極，然后再浸鍍一層蔗糖液使電極硬化［28］，這樣就可以深入生物體內(nèi)部與神經(jīng)進(jìn)行接觸，比如:它可以插入到神經(jīng)束內(nèi)進(jìn)行檢測或是在大腦皮層之間檢測神經(jīng)信號。在使用當(dāng)中，需要把受驗(yàn)動(dòng)物與電極固定在測定架上，調(diào)整好角度和深度，使電極豎直插入目標(biāo)神經(jīng)進(jìn)行神經(jīng)的刺激與信號的采集。

德國弗朗霍夫生物醫(yī)學(xué)研究所(Fraunhofer－Institute for Biomedical Engineering，Sankt Ingber)Stiegljtz T 和Schuetter M 與Muester 眼科醫(yī)院的Heiduschka P 和Shuettler M 制作了基于聚酰亞胺的雙面劍狀電極，植入老鼠的視神經(jīng)中，成功地對腦神經(jīng)信號進(jìn)行采集［29］。Lee Yutao 等人［30］也采用兩個(gè)探針臂的劍狀電極植入成年小龍蝦的腹部和腦神經(jīng)，證明了電極的雙面和側(cè)面都可以連續(xù)可靠地檢測神經(jīng)元信號。同時(shí)從組織學(xué)分析上也可以看到電極和周圍的組織形成了很好的接口，可以用在大腦皮層假體和腦—機(jī)接口系統(tǒng)中。

圖4 劍狀電極示意圖Fig 4 Diagram of shaft electrode

劍狀電極形狀為劍狀，可以直接插入到神經(jīng)內(nèi)部，進(jìn)行神經(jīng)內(nèi)和腦皮層內(nèi)信號的記錄和刺激;正面、反面和側(cè)面可以同時(shí)記錄神經(jīng)，并進(jìn)行多點(diǎn)刺激。但劍狀電極需要插入神經(jīng)組織內(nèi)部進(jìn)行刺激，這樣會(huì)對神經(jīng)細(xì)胞產(chǎn)生損害;插入神經(jīng)組織需要有專門的立體測定儀，成本很高，尺寸誤差大，操作不方便。

1.5 針形電極陣列

針型電極一般是以硅基為材料，結(jié)合MEMS 加工工藝制作而成。比較典型的針形陣列微電極主要有Utah 陣列(圖5)［31］和Michigan 陣列(圖6)［32］。針型微電極具有高密度、有序排列以及能實(shí)現(xiàn)三維陣列結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，往往在幾個(gè)平方毫米的面積內(nèi)排列數(shù)百個(gè)電極，每個(gè)電極上也分布許多電極位點(diǎn)，它可以植入大腦皮層或神經(jīng)束內(nèi)，直接與神經(jīng)軸突接觸，從而很好地發(fā)揮記錄和刺激功能。目前針形陣列電極主要用于大腦皮層神經(jīng)組織的研究等。

圖5 Utah 型電極陣列示意圖Fig 5 Diagram of Utah electrode array

Utah 型針形微電極是由Utah 大學(xué)Jones K E 等人提出的，它是由100 根以硅基為材料的針狀電極組成的三維電極陣列，然后又在硅針尖端上沉積了一層鉑金。Rousche P J 等人將Utah 型針形電極植入貓的感覺皮層，植入三個(gè)月后未見組織包覆現(xiàn)象發(fā)生。這是驗(yàn)證了它可以對皮層內(nèi)的神經(jīng)進(jìn)行記錄和刺激［33，34］。Michigan 型針形陣列微電極是由Michigan 大學(xué)的Anderson D J 等人在二維單排電極制備完成后，利用深度反應(yīng)離子刻蝕(DIRE)制作硅材料夾具，并用恰當(dāng)?shù)姆绞酵瓿扇S組裝。Hoogerwerf A C 等人［35］將4×4 的Michigan 型電極植入幾內(nèi)亞豬的大腦皮層中，同樣經(jīng)三個(gè)月的生物實(shí)驗(yàn)后，在電極周圍也沒有較大的組織反應(yīng)發(fā)生。所以，Utah 型和Michigan 型的微電極都能夠滿足神經(jīng)生理學(xué)家所提出的長期神經(jīng)刺激的要求。

圖6 Michigan 型電極陣列示意圖Fig 6 Diagram of Michigan electrode array

針形陣列微電極的優(yōu)勢是包含大量的記錄或刺激位點(diǎn)，能夠選擇性地激活或關(guān)閉單個(gè)電極，對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)進(jìn)行區(qū)域性研究。其缺點(diǎn)是:腦組織比硅針軟，在大腦微移動(dòng)時(shí)容易對神經(jīng)膠質(zhì)的造成損傷;硅基材料的電極高剛性不足，不能用于長時(shí)間的慢性實(shí)驗(yàn)。

2 結(jié)束語

通過對上述幾種微電極進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)微電極還面臨很多問題的挑戰(zhàn)。如柔性微電極的植入會(huì)對神經(jīng)組織造成損傷、電極位點(diǎn)數(shù)量不足及電極刺激的安全性等;目前，電極還不能長期的植入到人體當(dāng)中，在更換電極時(shí)也會(huì)對神經(jīng)引起損壞。所以，為了使柔性微電極能夠長期有效地應(yīng)用于臨床上，在其微型、柔性、生物相容性及生物穩(wěn)定性上還需要進(jìn)行深入研究。

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