柔性可拉伸微电极阵列技术及其植入式应用研究

Implantable electrodes, as core pieces in implantable electronic devices, function as intelligent bio-electronic interfaces interact with biological systems for monitoring and modulation of physiological activity, which provide technologies and devices for diagnosis and therapy of diseases and injuries. Due to implantable electrodes directly contacting with biological tissues and organs, capability of information communication, biocompatibility and stable robustness need to be fully considered when the electrodes being designed and developed. We propose to develop stretchable microelectrode arrays, which are capable of monitoring and modulating biological activity while being deformed and stretched under large bi-axial strains. Moreover, sciatic nerve, brain cortex, and heart will be targeted for implantable applications research, and matches on softness, conformal attach, and dynamic deformation between stretchable microelectrode arrays and those biological tissues are proposed to be studied, respectively. This work could provide novel theories, methods, and technologies for the research and development of implantable electronic device systems. Our goal is using this novel technology to conduct scientific research to make the technologies applicable to the population.

作为植入式电子器械的核心器件，植入式电极充当了从生物体获取生理信息、以及将外部刺激调控信息发送给生物体的纽带，在植入式电子器械系统中发挥重要的作用。由于与生物组织或器官直接接触，植入式电极需要同时兼顾信息交互能力、生物安全性、以及长期功能稳定性等方面的问题。本工作拟面向植入式应用，研究开发具有柔软、可拉伸等性能的柔性可拉伸微电极阵列，该电极可以在二维大尺度弯曲、拉伸等形变状态下保持良好的电学性能和信息交互能力。同时，本工作还将以坐骨神经束、大脑皮层、以及心脏为植入式应用目标，分别开展柔性可拉伸微电极阵列与生物组织之间柔软性匹配、共形贴附、以及动态形变匹配等方面的问题研究，并深入探讨这些性能对植入式电子器械功能的影响。本工作将为植入式电子器械系统的设计、开发和应用提供重要的理论、方法和技术，为我们国家在植入式医疗器械领域的发展做出贡献，并最终造福广大患者。

新兴科学技术的发展，不断提高人们改造世界的能力，与此同时也推动了其对自身的改造。一方面，在身体中植入微型的电子装置，通过对生理功能和机体活动进行监测和干预来实现疾病的诊断与治疗。另一方面，通过在身体中植入微型的电子装置实现功能重建与康复。生物-电子传感器是实现电子系统与人体之间的信息交互的核心功能单元，由于需要与人体皮肤、 组织和器官直接接触，传统的硬质传感器往往在生物“安全性”和“舒适度”等方面制约了“穿戴式”和“植入式” 智能装备和医疗器械的开发和推广。 . 本项工作致力于围绕“安全”和“舒适”两个关键问题，研究开发符合人体组 织结构和人体力学的“柔性可拉伸传感器”，很好的解决了人体组织与传统硬质 材料传感器之间在柔软度、共形贴附、以及动态吻合等方面的巨大差问题。研究团队重点开展三个方面的研究工作：首先，研究和探索柔性可拉伸微器件相关的的新材料、新原理、新方法。具体分别开展了：1)柔性电极材料-生物组织界面研究； 2)柔性可拉伸金属结构研究； 3)柔性可拉伸多层复合结构研究； 4)柔性电极材料的极限工作电流。同时，项目基于柔性电子技术研究和开发了面向植入式应用的柔性器件。具体分别开展了：1)具有纳米仿生结构的医用传感器研究； 2）植入式柔性微米空间分辨率皮层脑电监测技术研究； 3）植入式柔性外周神经束套管研究；4）植入式柔性心外膜电极研究； 5）柔性应变运动传感器研究。除此之外， 项目应用相关植入式柔性可拉伸微器件实现对生理功能和机体活动的监测和干预开展了探索性工作。具体包括：1）癫痫发作早期预警研究；2）神经损伤运动康复研究；3）以及运动生理监护研究等。期望基于本项目工作，最终为疾病的诊断和治疗提供技术方法和相关设备。. 基于本项工作，团队在相关领域的长期研究积累和取得了开拓性成果。团队一直在生物医疗微米/纳米尺度器件设计和开发方面加强建设科研队伍，为植入式电子医疗器械领域的研究和发展服务。团队的研究工作将为植入式电子器械系统的设计、开发和使用提供重要的理论、方法和技术等方面的支持, 并通过与临床医院以及产业界等多个层面的合作，推动实现成果转化。