基于Parylene-C微金電極作為柔性視網(wǎng)膜電極的設(shè)計(jì)及特性測試*

郝玲玲，謝小波，胡勇，徐圣普

(中國醫(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)

1 引 言

臨床上，視網(wǎng)膜色素變性(RP)[1]和年齡相關(guān)性黃斑變性(AMD)[2]為兩種常見的致盲性眼病。其主要都是由缺失感光細(xì)胞導(dǎo)致視網(wǎng)膜退化引起的，主要表現(xiàn)為慢性進(jìn)行性視野缺失。目前，潛在的治療方法包括：通過基因療法延長感光細(xì)胞的壽命[3]，藥物治療[4]，膳食補(bǔ)充[5]，使用抗氧化劑[6]等。一旦感光細(xì)胞死亡，這些治療方法都不再可行。其他的試驗(yàn)方法著眼于替代感覺神經(jīng)元。這些方法包括感光細(xì)胞和造血干細(xì)胞移植[7]，細(xì)胞修飾，視網(wǎng)膜重塑。盡管在這些領(lǐng)域取得了一些進(jìn)展，但是沒有有效的治療方法。有研究表明，雖然視網(wǎng)膜外層感官細(xì)胞缺失，但內(nèi)層的細(xì)胞仍是完整的，通過這些細(xì)胞的電刺激，仍可感知光[8]。這一發(fā)現(xiàn)為研究生物電子眼植入物即視網(wǎng)膜假體提供了動(dòng)機(jī)。全世界進(jìn)行的幾組臨床試驗(yàn)中，受試者與植入物可以檢測光和執(zhí)行視覺引導(dǎo)的任務(wù)[9]。現(xiàn)已有患者攜帶商業(yè)化的視覺假體，如The Argus II，據(jù)報(bào)道這款視覺假體于2013年11月已被美國食品和藥物管理局(FDA)批準(zhǔn)臨床使用。這也足以說明對(duì)視網(wǎng)膜變性疾病可以通過人工視覺假體對(duì)視網(wǎng)膜或者視神經(jīng)進(jìn)行電刺激的方式使失明或?yàn)l于失明的患者重新獲得部分有用視力。植入物假體代替退化或者消失的視網(wǎng)膜細(xì)胞接收外界光信息后，轉(zhuǎn)換成生物電信號(hào)，刺激并激活視網(wǎng)膜神經(jīng)細(xì)胞，然后經(jīng)視神經(jīng)將電信號(hào)傳至大腦視覺中樞，從而形成完整的視覺通路[10-12]。在視覺假體的研究上，如何提高其分辨率仍然是研究者們面臨的一大挑戰(zhàn)。

視覺通路(visual pathway)的構(gòu)成包括視網(wǎng)膜、視神經(jīng)和視皮層，視網(wǎng)膜是光敏感區(qū)，包含光敏單元視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞。視神經(jīng)將光刺激到視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞產(chǎn)生的電信號(hào)傳導(dǎo)到大腦進(jìn)行視覺處理。針對(duì)視網(wǎng)膜病變中患者外層光感受器受損，視錐細(xì)胞和視桿細(xì)胞發(fā)生不同程度的退化，造成的視力減退或失明，將視覺假體關(guān)鍵部件-視網(wǎng)膜微電極陣列(retinal microelectrode array)植入視網(wǎng)膜，刺激尚存的視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞，通過患者微受損的神經(jīng)元，仍然可以將視網(wǎng)膜的電信號(hào)傳輸給大腦，形成視覺圖像[13-14]。視網(wǎng)膜微電極，作為視網(wǎng)膜假體的關(guān)鍵組成部分之一，其研究對(duì)提高視覺假體的分辨率有著重要作用。視網(wǎng)膜微電極，作為植入電極，其柔韌性及物理參數(shù)、電化學(xué)特性等在眼內(nèi)環(huán)境下的表現(xiàn)均有可能影響視覺假體的分辨率。常用視網(wǎng)膜微電極直徑多取于50～500 μm[15-18]。本研究采用直徑為200 μm的Parylene-C作為電極襯底，金(Au)作為電極材料，通過電化學(xué)阻抗譜，分析計(jì)算出電極的電化學(xué)阻抗值、相位角區(qū)間[15]，初步判定是否適合做刺激微電極植入提供參考依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 視網(wǎng)膜微電極材料及結(jié)構(gòu)

本實(shí)驗(yàn)采用視網(wǎng)膜微電極以聚對(duì)二甲苯(Parylene-C)為柔性襯底，金作為刺激電極表面材料。視網(wǎng)膜微電極設(shè)計(jì)參數(shù)參照了視錐細(xì)胞的參數(shù)，使得電極刺激能夠引起的刺激能夠引起視錐細(xì)胞的反應(yīng)，最終產(chǎn)生的視皮層映像可達(dá)到一定的分辨率，刺激電極直徑設(shè)計(jì)為200 μm。本研究采用包含四個(gè)電極點(diǎn)的陣列，電極直徑相同。電極引線線寬為40 μm，電極間間距為200 μm，引線間最小間距為60 μm。電極中心位于同一條直線上。同時(shí)，考慮到能夠使電刺激可以產(chǎn)生均勻的電場分布，電極采用圓盤型設(shè)計(jì)[11]。

圖1 視網(wǎng)膜微電極陣列

2.2 視網(wǎng)膜微電極制造工藝

基于parylene-C的視網(wǎng)膜微電極與以polyimide-based為襯底的視網(wǎng)膜微電極的制作工藝大致相同[16]。本文的視網(wǎng)膜微電極的制作工藝見圖2。在硅晶片上蒸發(fā)300 nm厚鋁(Al)作為犧牲層釋放微電極，見圖2(a)。硅烷化后在襯底上沉積12～14 μm厚的 parylene-C作為底層絕緣層，見圖2(b)，硅烷化后濺射Cr/Au/Cr(70/200/70nm)并光刻形成電極點(diǎn),導(dǎo)線與連接端口。Cr層用于增加金涂層和絕緣聚對(duì)二甲苯層的附著力。硅烷化后沉積12～14 μm厚的parylene-C作為微電機(jī)的上層絕緣層，見圖2(d)。蒸發(fā)500 nm 的Al，光刻后形成Parylene-C的掩膜層，見圖2(e)。氧氣等離子體干刻parylene-C層(圖2f)后，去除Al掩膜層，并腐蝕掉電極點(diǎn)和連接端口上層的Cr層(圖2g)，最后電解Al釋放微電極(圖2h)。

圖2基于Parylene的微電極陣列制造工藝流程圖

Fig2Fabricationprocessflowforparylene-basedmicroelectrodearray

2.3 體外測試-視網(wǎng)膜微電極電特性測試

視網(wǎng)膜微電極的體外測試通過電學(xué)性能檢測進(jìn)行初步評(píng)價(jià)。電化學(xué)檢測由微電極在電解質(zhì)溶液中進(jìn)行氧化還原反應(yīng)來進(jìn)行測試。本研究電化學(xué)阻抗譜(EIS)的測試采用三電極的電化學(xué)檢測系統(tǒng)[13]。如圖3所示，三電極系統(tǒng)，除被測電極(工作電極)外，通常包含一個(gè)鉑電極作對(duì)電極，一個(gè)Ag/AgCl電極做參考電極。實(shí)驗(yàn)中將兩兩相距1 cm的三個(gè)電極同時(shí)置于pH為7.4的磷酸緩沖液(PBS)中，以模仿生物體眼內(nèi)體液環(huán)境。所有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均與室溫條件下采集。本測試采用50 mV的交流電壓。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集采用美國Gamry公司的Reference 600電化學(xué)工作站。

圖3三電極測試系統(tǒng)

Fig3Sketchofathree-electrodeelectrochemicalsystem

2.4 體內(nèi)測試-微電極植入柔韌性檢測

實(shí)驗(yàn)采用260 g的健康的成年大鼠。實(shí)驗(yàn)程序嚴(yán)格按照視覺與眼科研究協(xié)會(huì)的政策指導(dǎo)進(jìn)行。采用濃度10%的水合氯醛麻醉后，固定于鋪有37℃恒溫墊大的鼠立體定位儀上。為減小手術(shù)創(chuàng)面，模擬臨床試驗(yàn)電極植入，在不摘除大鼠玻璃體的情況下，手術(shù)刀避開眼部血管，切寬約1.5 mm左右的虹膜切口，用鑷子控制電極方向，從切口植入微電極陣列。手術(shù)植入的全部程序都在顯微鏡下進(jìn)行。

3 結(jié)果與討論

本研究的視網(wǎng)膜微電極采用Parylene-C作為電極襯底，考慮其在介電常數(shù)、介電損耗、吸水性，以及抗拉強(qiáng)度和楊氏模量等性能，以及很好的生物相容性。植入視網(wǎng)膜表層時(shí)，控制其植入方向，可使微電極陣列能夠與視網(wǎng)膜很好地接觸，達(dá)到更有效的刺激。本研究選用金作為刺激電極材料，并采用Cr層增強(qiáng)電極點(diǎn)和襯底材料的結(jié)合力，除了考慮其優(yōu)良的導(dǎo)電性和抗腐蝕能力,相比較于鉑金、氧化銥電極，降低制作工藝難度的同時(shí)，有效的削減了成本。電極尖端和引線相接位置均為弧形設(shè)計(jì)，避免直角應(yīng)力斷裂及植入時(shí)對(duì)生物組織的傷害。

研究表明，增加電極刺激位點(diǎn)的面積，能有效降低電化學(xué)阻抗，提高電荷的注入能力[15]。影響阻抗的兩個(gè)重要因素為微電極大小及表面粗糙度。LI Xiaoqian[16]曾報(bào)道大小為200 μm × 400 μm的TiN、Pt和IrOx電極的電化學(xué)特性，這三種電極圖層下層均以金涂層，文中提到金電極為做涂層時(shí)頻率為1 KHz時(shí)，阻抗為107 kΩ。本實(shí)驗(yàn)采用的直徑為200 μm的金電極測試結(jié)果為在頻率為1 KHz時(shí)的阻抗為37.94 kΩ，在電極面積更小的情況下，阻抗更低。Petrossians A等人[17]通過在鉑金電極上層濺射氧化銥涂層，改變表面形貌，增加電極表面粗糙度，提高電極點(diǎn)的有效面積，降低了電極阻抗，提高電荷注入能力。實(shí)驗(yàn)所用氧化銥涂層電極對(duì)成本和制作工藝的要求較高。如圖4所示，本研究設(shè)計(jì)制作的基于Parylene-C的微電極，以金為電極表面涂層，涂層表面粗糙度高，在降低成本和制作工藝的要求的同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了增加電極點(diǎn)的有效面積，有理由相信這是減小阻抗的重要因素。見圖5。電極電化學(xué)阻抗隨頻率的升高而明顯下降，呈明顯高通特性。且曲線的光滑度也說明電極表面結(jié)構(gòu)良好，電化學(xué)性能穩(wěn)定。

圖4 電極表面形貌SEM掃描照片

圖5微電極阻抗和相位隨頻率變化曲線

Fig5Frequency-impedancespectrumandfrequency-phasespectrumofmicroelectrode

圖6為電極植入大鼠眼睛內(nèi)部的顯微鏡照片，可以觀察到基于Parylene-C的視網(wǎng)膜金電極陣列中的4個(gè)微電極點(diǎn)。微電極陣列植入后沿視網(wǎng)膜自然彎曲，貼合在視網(wǎng)膜上，具有很好的柔韌性，適于做植入電極。

圖6電極植入大鼠眼睛內(nèi)部位置(A，B，C，D為植入電極點(diǎn))

Fig6Placementoftheelectrodearrayafterimplanted(A，B，CandDareimplantedelectrodes)

4 結(jié)語

本研究設(shè)計(jì)并評(píng)估的基于Parylene-C的視網(wǎng)膜金微電極，在降低了制作難度和材料成本的基礎(chǔ)上，電極的襯底材料采用parylene，面材料具有柔韌性，植入后與視網(wǎng)膜接觸良好，同時(shí)這種材料對(duì)于加工要求相對(duì)較低，金電極作為刺激電極，成本也較低。電學(xué)特性滿足視網(wǎng)膜電極的植入要求，可用于視網(wǎng)膜刺激微電極。尤其在我們對(duì)影響視覺假體分辨率諸多因素不斷探索的階段，在符合刺激條件的情況下，采用我們提出的金電極可以避免造成不必要的浪費(fèi)。隨著電極加工工藝的不斷發(fā)展，相信較為成熟或更加新穎的加工方式的出現(xiàn)，與植入手術(shù)技術(shù)的不斷提高，視網(wǎng)膜植入微電極對(duì)材料的要求會(huì)相對(duì)降低，這對(duì)視網(wǎng)膜微電極為更多患者服務(wù)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。