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视觉假体神经刺激微电极的研究

作　者: 李莹辉
导　师: 任秋实
学　校: 上海交通大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 视觉假体金属微丝电极柔性薄膜电极阻抗生物相容性
分类号: R318
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

人类认识外界世界的信息约有90%是通过视觉系统提供,失明不但严重影响了患者的生活质量,而且给社会带来了很大负担。视觉神经系统是极其复杂的生物系统,基因病变或者外界的损伤都可能影响或阻断视觉信号的传输而导致视力丧失。对于某些视力严重受损的患者,至今还没有有效的药物或手术方法能够使他们的视力有所恢复。随着现代科学技术的发展,人们开始用工程学的办法寻求一种视觉假体,帮助盲人重新获得有用视力。目前,各类视觉假体都包含植入眼内的微电极阵列用于对视皮层、视网膜、视神经提供电刺激。微电极阵列作为视觉假体与神经组织的接口是视觉假体设计的关键部分,它的性能直接关系到视觉假体的安全性和有效性,因此对视觉假体刺激电极的研究也成为了本领域内的热点问题并具有重要意义。本文分析了国外视觉假体研究小组所采用的不同类型的微电极,并基于我们科研小组所进行的视觉修复需要,研制了用于神经刺激的多种体内植入式微电极阵列,如基于PCB板的金属丝电极,环形插入式神经刺激电极阵列,FMA电极阵列以及柔性薄膜电极。为使植入微电极具有良好的生物相容性,选用钨丝和铂铱合金作为金属电极材料、C型聚对二甲苯和特氟龙作为电极的绝缘材料、聚酰亚胺作为柔性薄膜电极的基底材料等。通过电化学腐蚀的方法修饰电极尖端,控制电极尖端暴露长度。我们自行设计加工了多种模具和零件,以方便电极制作、优化电极阵列形态、便于进行动物实验的手术操作,目的是为了制作一种适宜于在视觉系统生理结构中能够长期固定的电极形态。在理论方面,本文研究了电极与电解液界面的理论基础,概述了电极-电解液界面的电化学过程和电极-电解液界面等效电路模型。根据这些理论知识,提出了使用三电极系统更精确地测量电极阻抗并对阻抗测试结果进行了分析。此外,还观察了在无电流模式和通电刺激模式下,封装完毕的柔性薄膜电极对视神经胶质细胞的影响,即通过细胞毒性试验对柔性薄膜电极的生物相容性进行了系统的评价。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-25
  1.1 研究背景  9-10
  1.2 视觉神经系统生理学基础  10-11
  1.3 视觉假体微电极的研究现状  11-22
    1.3.1 视皮层假体微电极  13-18
    1.3.2 视网膜假体微电极  18-22
    1.3.3 视神经假体微电极  22
  1.4 研究内容和结构安排  22-25
第二章神经刺激微电极的设计与制作  25-43
  2.1 金属微电极制的设计考虑  25-26
  2.2 金属丝预处理  26-28
  2.3 基于PCB 板金属丝电极阵列的制作  28-30
  2.4 插入式环形视神经用刺激电极的制作  30-34
  2.5 FMA 电极及其推进固定装置  34-38
    2.5.1 FMA 电极制作  36-37
    2.5.2 推进固定装置的设计  37-38
  2.6 柔性薄膜电极的制作  38-42
    2.6.1 柔性薄膜电极的制作  39-41
    2.6.2 柔性薄膜电极与引线接口的焊接及其封装  41-42
  2.7 本章小节  42-43
第三章微电极的电学性能评估  43-59
  3.1 电极-电解液界面理论基础  43-49
    3.1.1 电极-电解液界面的双电层  43-46
    3.1.2 法拉第反应和非法拉第反应  46-48
    3.1.3 电极-电解液界面的等效电路  48-49
  3.2 电极的阻抗测试实验方法  49-53
    3.2.1 阻抗的定义  49-51
    3.2.2 阻抗的测量  51-53
  3.3 电极阻抗的测试结果与分析  53-58
  3.4 本章小节  58-59
第四章柔性薄膜电极的生物相容性评估  59-65
  4.1 前言  59-60
  4.2 薄膜电极的生物相容性评价——细胞毒性试验  60-64
  4.3 本章小节  64-65
第五章总结与展望  65-67
附录 1  67-68
参考文献  68-73
致谢  73-74
攻读硕士学位期间发表的论文  74-76

视觉假体神经刺激微电极的研究

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