崔紅巖 郝玲玲 陳儷行 胡 勇 徐圣普 馮 莉 謝小波*

多間距視網(wǎng)膜表面微電極陣列設(shè)計(jì)與特性測(cè)試*

崔紅巖①郝玲玲①陳儷行②胡 勇①徐圣普①馮 莉①謝小波①*

目的：為優(yōu)化視網(wǎng)膜微電極陣列的設(shè)計(jì)而設(shè)計(jì)多間距電極陣列，并對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試。方法：采用聚氯代二甲苯(parylene)柔性材料作為柔性襯底，以惰性金屬Au作為電極材料，設(shè)計(jì)不同間距的單排電極陣列，并對(duì)微電極陣列的外觀、機(jī)械性能和柔韌性進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果：經(jīng)測(cè)試，微電極表面及邊緣清晰，導(dǎo)線與電極之間連接完好，連線間無(wú)短路。柔韌性檢測(cè)顯示，微電極陣列的柔韌性滿足下一步動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的要求。結(jié)論：設(shè)計(jì)完成的微電極陣列可為進(jìn)一步的動(dòng)物在體視網(wǎng)膜微電極實(shí)驗(yàn)提供可靠的條件。

視網(wǎng)膜表面微電極陣列；視覺(jué)假體；優(yōu)化設(shè)計(jì)

[First-author’s address] Institute of Biomedical Engineering, Perking Union Medical College and Chinese Academy of Medical Sciences, Tianjin 300192, China.

老年黃斑變性(age-related macular degeneration，AMD)和視網(wǎng)膜色素變性(retinitis pigmentosa，RP)是兩種最常見(jiàn)的外層視網(wǎng)膜退化性疾病，進(jìn)而導(dǎo)致數(shù)百萬(wàn)人的視力障礙和失明[1]。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，AMD已經(jīng)成為全球范圍內(nèi)失明的第三大主要原因[2]。

視覺(jué)假體概念的提出，為AMD患者恢復(fù)視力帶來(lái)了希望[3-5]。視覺(jué)假體是通過(guò)電刺激視覺(jué)途徑(存活的視神經(jīng)細(xì)胞、視網(wǎng)膜的光感受器或視神經(jīng))來(lái)達(dá)到恢復(fù)視力的目的。目前，視網(wǎng)膜假體主要有兩種，依照視覺(jué)假體植入的部位分為外層型和表層型。其中，表層型植入視網(wǎng)膜假體的研究備受關(guān)注，與外層型視覺(jué)假體相比具有多項(xiàng)顯著優(yōu)點(diǎn)。視網(wǎng)膜表面假體的植入和植入后的隨訪檢查只需要標(biāo)準(zhǔn)眼科手術(shù)技術(shù)，可有效降低植入手術(shù)創(chuàng)傷的風(fēng)險(xiǎn)，植入的微電極陣列更換時(shí)較為容易。同時(shí)，視網(wǎng)膜表層假體植入后利用眼內(nèi)的生理液進(jìn)行散熱，不易對(duì)視網(wǎng)膜造成損傷，可以進(jìn)行長(zhǎng)期植入[6]。

視網(wǎng)膜微電極陣列是視覺(jué)假體的關(guān)鍵組件，通過(guò)將電刺激施加到視網(wǎng)膜上，激活視網(wǎng)膜內(nèi)尚未受損的視神經(jīng)細(xì)胞使其被激活，并將電信號(hào)經(jīng)由視神經(jīng)傳輸?shù)酱竽X皮層產(chǎn)生圖形，決定了視覺(jué)成像的分辨率和視覺(jué)假體的工作效率[7-8]。

本研究從視網(wǎng)膜表面微電極陣列的優(yōu)化設(shè)計(jì)入手，設(shè)計(jì)制作不同間距的微電極陣列，并對(duì)微電極陣列的物理性能進(jìn)行檢測(cè)，為進(jìn)一步的動(dòng)物在體實(shí)驗(yàn)提供依據(jù)。

1 多間距視網(wǎng)膜表面微電極陣列設(shè)計(jì)

1.1 電極陣列設(shè)計(jì)

(1)微電極陣列材料。在進(jìn)行微電極陣列設(shè)計(jì)時(shí)需優(yōu)先考慮下述因素：①電極襯底和電極材料的生物相容性和穩(wěn)定性，以允許微電極陣列在視網(wǎng)膜內(nèi)長(zhǎng)期植入；②可植入的微電極陣列應(yīng)與視網(wǎng)膜的弧度重合，以保證植入后微電極陣列很好地與視網(wǎng)膜貼合；③要求在植入微電極陣列時(shí)可從較小的手術(shù)切口植入，對(duì)視網(wǎng)膜周圍組織的創(chuàng)傷盡可能小。因而引出襯底材料及形狀。

本設(shè)計(jì)采用聚氯代二甲苯(parylene)作為襯底材料，其具有很好的生物相容性、良好的柔韌性(楊氏模量4 GPa)、化學(xué)惰性(抗腐蝕能力)以及較低的水滲透率。電極材料選擇惰性金屬Au，其同時(shí)具有良好的生物相容性和抗腐蝕能力。

微電極陣列的厚度直接決定了電極陣列的柔韌性，若材料太薄則電極植入時(shí)會(huì)發(fā)生卷曲；如果太厚則電極片太硬，植入后不能符合視網(wǎng)膜的弧度，而且會(huì)在成對(duì)視網(wǎng)膜及周圍組織造成損傷。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，電極陣列厚度確定為20 μm最為合適。

(2)微電極陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)?，F(xiàn)有的視網(wǎng)膜電極主流設(shè)計(jì)為正方形，盡管采用柔性材料作為電極陣列的襯底，在微電極陣列植入過(guò)程中和植入視網(wǎng)膜以后，電極陣列的邊緣會(huì)造成對(duì)視網(wǎng)膜的損傷。由于視網(wǎng)膜本身非常脆弱，尤其視網(wǎng)膜神經(jīng)元對(duì)壓力非常敏感，即使是弱眼壓維持較長(zhǎng)的時(shí)間，視神經(jīng)元仍會(huì)凋亡。此外，視網(wǎng)膜如果發(fā)生穿孔或牽拉會(huì)從下層的眼組織脫落，最終失去視覺(jué)功能。因此，將陣列的植入部分設(shè)計(jì)成圓弧形的邊緣，避免了植入過(guò)程中和植入后對(duì)視網(wǎng)膜及周圍組織的損傷(如圖1所示)。

圖1 微電極陣列圓形頭部設(shè)計(jì)

盡管電極直徑越小，可以產(chǎn)生的視覺(jué)分辨率越高，但電極的制作難度越高。本研究將微電極直徑選擇為75 μm，以期由此電極陣列產(chǎn)生較高的視覺(jué)分辨率。設(shè)計(jì)不同的電極間距，如圖1中微電極#1、#2、#3和#4之間為不相等間距，在電極刺激試驗(yàn)中，任意兩個(gè)電極之間都可以組成一對(duì)刺激電極-接收電極，其組合成的電極間距的排列見(jiàn)表1。電極#1、#2、#3和#4為4個(gè)電極，當(dāng)其中一個(gè)電極為刺激電極，任意一個(gè)相鄰或相間隔的電極為刺激接收電極時(shí)，可以產(chǎn)生不同組合的刺激電極-接收電極間距。這樣，在試驗(yàn)中可以觀察不同電極間距所產(chǎn)生的電刺激閾值和刺激效果。同時(shí)，單排的電極陣列設(shè)計(jì)可在體內(nèi)實(shí)驗(yàn)室排除旁路電極的電刺激干擾，使實(shí)驗(yàn)在單一條件下進(jìn)行，便于在簡(jiǎn)化的條件下觀察電極間距對(duì)刺激效果產(chǎn)生的影響。

表1 刺激電極-接收電極對(duì)間距

1.2 電極制作

采用標(biāo)準(zhǔn)的MEMS技術(shù)制作基于parylene C的微電極陣列[15]。微電極陣列的制作過(guò)程如圖2所示：將300 nm厚度的鋁(Al)晶片制作成犧牲層釋放結(jié)構(gòu)；將12～14 μm parylene C層沉積在硅烷化后的硅片作為絕緣層，增加粘合劑。濺射Au和Cr(70 nm×200 nm×70 nm)金屬層按照光刻圖制作電極，金屬引線和連接盤；上層12～14 μm絕緣parylene C層涂層；500 nm鋁層屏蔽層通過(guò)蒸發(fā)、光刻技術(shù)和電化學(xué)侵蝕完成對(duì)parylene C的氧化等離子體干法蝕刻加工；屏蔽層移除Cr后對(duì)涂層表面的電極進(jìn)行腐蝕；采用電解方法電解掉Al犧牲層，從硅片上釋放電極片。

圖2 采用MEMS技術(shù)的微電極陣列制作流程

1.3 微電極陣列物理特性和柔韌性的觀察

將微電極陣列置于顯微鏡下，觀察電極的形態(tài)特征、電極點(diǎn)、引線和連接情況，用模擬視網(wǎng)膜模型觀察微電極陣列的柔韌性。

2 結(jié)果

2.1 微電極陣列形貌觀察

顯微鏡下觀察顯示，微電極表面及邊緣均清晰，并行導(dǎo)線之間無(wú)短路，引線與微電極之間很好地連接(如圖3所示)。

圖3 微電極陣列形貌觀察圖

2.2 微電極陣列柔韌性觀察

電極的柔韌性測(cè)試通過(guò)鑷子輕輕折轉(zhuǎn)彎曲來(lái)進(jìn)行。微電極陣列可輕易被折轉(zhuǎn)彎曲形成很好的弧度。微電極陣列需在大鼠視網(wǎng)膜進(jìn)行初步實(shí)驗(yàn)觀察，如圖4(a)所示，下方為模擬大鼠眼球視網(wǎng)膜弧度的模型，模型下方的半圓弧模擬大鼠視網(wǎng)膜的弧度，由圖中可觀察到微電極陣列可彎曲成相近的弧度；圖4(b)顯示，模擬微電極陣列貼合在大鼠視網(wǎng)膜的模擬實(shí)驗(yàn)可觀察到微電極陣列與弧形的模型外壁緊密貼合。當(dāng)鑷子松開(kāi)后，微電極陣列回復(fù)平面形狀，電極陣列本身未出現(xiàn)折痕，說(shuō)明微電極陣列有較好的柔韌性。

圖4 電極陣列彎曲度檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)理想的視網(wǎng)膜微電極陣列，材料的生物相容性、電化學(xué)特性和微電極參數(shù)均為電極陣列設(shè)計(jì)的重要因素，其優(yōu)化設(shè)計(jì)有助于提高視網(wǎng)膜假體的空間分辨率[9]。具有良好的柔韌性和生物相容性的parylene C作為微電極陣列的襯底，可使電極陣列在植入時(shí)對(duì)視網(wǎng)膜周圍組織造成的創(chuàng)傷達(dá)到最??；同時(shí)，在微電極陣列的長(zhǎng)期植入過(guò)程中，可抵抗眼球液對(duì)電極陣列的腐蝕[10]。將微電極設(shè)計(jì)成為不同的間距，可對(duì)不同的電極間距進(jìn)行電刺激觀察，為電極陣列的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

本研究設(shè)計(jì)并制作了parylene C為襯底的視網(wǎng)膜表層微電極陣列，微電極之間具有不同的間距，初步試驗(yàn)顯示，電極陣列有較好的柔韌性，可彎曲成為實(shí)驗(yàn)大鼠的眼球視網(wǎng)膜的弧度，同時(shí)，植入方式簡(jiǎn)單，對(duì)視網(wǎng)膜及周圍組織形成較小的創(chuàng)口。這種間距不同的電極陣列可在試驗(yàn)中檢測(cè)不同電極間距對(duì)刺激效果的影響[11]。同時(shí)，電極陣列前端的圓弧形設(shè)計(jì)可在植入過(guò)程中減小對(duì)視網(wǎng)膜的損傷，并且，圓鈍的電極陣列邊緣避免了植入后形成對(duì)視網(wǎng)膜的壓力而造成損傷。對(duì)于在麻醉大鼠眼球?qū)嵤┑募毙灾踩朐囼?yàn)，電極陣列固定后眼球移動(dòng)造成的影響可基本忽略；而對(duì)于進(jìn)一步準(zhǔn)備的長(zhǎng)期(慢性)植入手術(shù)，眼球移動(dòng)因素應(yīng)予以考慮，準(zhǔn)備在電極陣列表面涂以氧化銥進(jìn)行修飾，可降低電極表面阻抗提高電荷注入，進(jìn)而降低刺激電流，避免電極長(zhǎng)期植入對(duì)視網(wǎng)膜細(xì)胞的損傷[12]。

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Design and feature test of multi-distance epi-retinal microelectrode

CUI Hong-yan, HAO Ling-ling, CHEN Li-xing, et al

China Medical Equipment,2014,11(4):1-4.

Objective: To optimize the design and fabrication of epi-retinal microelectrode array for the retain vision of RP and AD patients, multi-distance flexible electrode array was designed and fabricated. Electro-chemical feature test of the array was performed. Methods: Parylene with flexibility and biocompatibility was used as substrate material and Au was used as electrode material. Multi-distance microelectrode array was designed and fabricated, and then mechanical property and flexibility of the array were tested. Results: Mechanical property and flexible test results showed that the fabricated microelectrode array fulfilled the design requirement. Conclusion: The designed and fabricated array can be put into animal experiment for optimization design of the array by obtaining in vivo electro-physiological test results.

Epi-retinal microelectrode; Retinal prosthesis; Optimization design

1672-8270(2014)04-0001-04

R318.18

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.04.001

崔紅巖,女,(1979- ),碩士，助理研究員。中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所，從事神經(jīng)電生理信號(hào)分析與處理、神經(jīng)系統(tǒng)模擬與建模。

2014-01-24

國(guó)家自然科學(xué)基金(81271667)“視網(wǎng)膜微電極植入動(dòng)物體后受內(nèi)環(huán)境電生理因素影響的仿真研究”；天津市科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(10zckfsy08400)“視網(wǎng)膜表面微電極陣列的研制和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究”

①中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所 天津 300192

②香港城市大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系 香港 999077

*通訊作者：ykyxxb@163.com