基于导电聚合物柔性mems微电极的瘫痪康复可植入人工神经系统研究

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1、申请上海交通大学博士学位论文基于导电聚合物柔性MEMS微电极的瘫痪康复可植入人工神经系统研究学校：上海交通大学院系：电子信息与电气工程学院班级：A1034091学号：0103409008博士生：田鸿昌专业：电子科学与技术导师Ⅰ：杨春生导师Ⅱ：刘景全2015年11月ADissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofDoctorofPhilosophyRESEARCHONIMPLANTABLEARTIFICIALNEURALSYSTEMFORPARALYSISRECOVERYBASEDONFLEXI

2、BLEMEMSMICROELECTRODESMODIFIEDBYCONDUCTINGPOLYMERAuthor：TianHong-ChangSpecialty:ElectronicscienceandtechnologyAdvisorⅠ:YangChun-ShengAdvisorⅡ:LiuJing-QuanNovember,2015上海交通大学博士学位论文摘要基于导电聚合物柔性MEMS微电极的瘫痪康复可植入人工神经系统研究摘要在世界各地每年都有大量递增的人群罹患由物理性损伤或器质性疾病而引发的脊髓损伤。作为中枢神经指令传递的重要通道，脊髓的损伤会直接导致患者身体广泛性的瘫

3、痪。瘫痪患者们最直接和迫切的需求是通过安全和有效的方式快速地重建其运动功能。对于瘫痪康复治疗的主要思路为利用可植入人工神经系统替代受损的运动神经，重建运动神经系统。微机电系统技术（Micro-Electro-MechanicalSystems，MEMS）的快速发展加速了可植入人工神经系统微型化和多功能化研发的步伐。相较于其它技术，微机电系统技术的优势体现在尺寸小、重量轻、高可靠性、低功耗、低成本、功能性优越以及与生物技术和分子生物学的结合性。尽管研究者们基于MEMS技术研制了多种多样的面向瘫痪康复可植入人工神经系统，然而该方面研究仍然存在着问题和不足，主要包括三个方面：1

4、、通过MEMS技术研制的各类可植入微电极的柔性化和多功能化程度不高，难以作为长期植入物与动态活体生物组织的固有特性相匹配而发挥多方面功能；2、可植入人工神经系统的整体效能严重地受到性能较差的电极-组织接口的制约，有待于研制出新型的有效、稳定和安全的电极-组织接口；3、作为运动瘫痪康复最直接和有效地方式，利用可植入人工神经系统通过电流脉冲直接刺激骨骼肌重建运动功能方面的研究较为不足。本文在国内外相关研究工作的基础上，主要研究了基于导电聚合物电极-组织接口改性的、以MEMS技术研制的多功能柔性MEMS微电极构成的、瘫痪康复可植入人工神经系统。论文的主要工作如下：1、研制了两种

5、新型的应用于可植入人工神经系统的多功能柔性MEMS微电极：包含流体给药功能的集成式柔性MEMS微电极和缠绕式柔性MEMS微电极。分别研究了两种微电极的制备方法和工艺参数，研制微电极的工艺重复率高且成本低。整体由柔性生物相容性材料构成的两种微电极适应于动态生物组织环境，其独特的三维空间电极点分布结构拥有比传统微电极显著增强的空间选择性。通过电化学沉积导电聚合物提高研制电极的电化学性能，包括电化学阻抗和电荷存储能力。测试和分析了研制电极的力学性能、稳定性和流阻特性。通过活体电生理实验研究了研制电极的实际第I页上海交通大学博士学位论文摘要应用性能，包括功能性电刺激、记录肌电信号

6、和通过流体通道给药。两种研制微电极均易通过简单的手术过程精确植入到目标生物组织位点，在电生理刺激和信号记录的同时能够以可控流体输送的方式进行生物化学调节。该方面研究为今后的包括运动瘫痪康复、深部脑区电刺激和组织器官功能监测与调节等多方面研究提供了崭新的思路和途径。2、系统全面地研究了用于提高可植入人工神经系统性能的多种生物/非生物大分子分别掺杂形成的导电聚合物PEDOT复合电极-组织接口的多方面性能。研究了生物/非生物分子掺杂PEDOT电极-组织接口的合成工艺，并通过多种显微观测技术表征和研究了其表面形貌和特性。研究和分析了生物/非生物分子掺杂PEDOT电极-组织接口的电

7、化学性能，包括：电化学阻抗谱、电荷存储能力和电荷注入限。分别通过大量重复循环伏安扫描和大量重复电流脉冲刺激研究和分析了六种PEDOT电极-组织接口的电化学和电刺激稳定性。通过表面细胞培养研究和分析了六种PEDOT电极-组织接口的生物相容性。对六种生物/非生物分子掺杂形成的导电聚合物复合电极-组织接口各方面性能的系统全面的对比研究为今后导电聚合物复合材料的发展与应用提供了研究依据。3、研制了新型的用于提高可植入人工神经系统性能的氧化石墨烯掺杂导电聚合物PEDOT（PEDOT/GO）复合电极-组织接口。研究了PEDOT/GO复合电