神经接口器件微纳制造中的软性可拉伸行为及控制技术研究

Compared with the rigid and flexible materials, neural interface devices fabricated by soft stretchable material have the advantages of better conformable contact and less compression of neural tissues, which can benefit the neural rehabilitation effect. However, the traditional micro-electro-mechanical system (MEMS) technology cannot meet the micro-nano fabrication requirements of soft and stretchable materials. In order to solve the key scientific problem of soft and stretchable mechanism of biocompatible materials and their control technology in cross-scale micro-nano fabrication, a laser microfabrication method was firstly developed to solve the imbalance between the softness and the machinability of soft materials. Secondly, a technology of nanopore plugging for soft silicone was developed to solve the imbalance between the softness and insulation of soft materials. Finally, the soft conductive composites with enhanced interface and conductivity are studied as the new materials of neural interface and conductor, which can resolve the imbalance between the softness and electrochemical properties and imbalance between the softness and conductivity, respectively. We are trying to develop a cross-scale micro-nano fabrication technology for soft and stretchable materials, which will lay a solid foundation for the development of soft and stretchable MEMS neural interface as a long-term implantable medical device.

神经接口器件使用软性可拉伸材料相对于使用硬性与柔性材料来说，具有容易更好贴合神经组织，不容易直接压迫、损伤神经组织，进而影响神经康复效果的优点。但是，传统MEMS工艺并不能适应软性可拉伸材料的微纳加工要求。为解决生物相容性材料在跨尺度微纳制造与加工中的软性可拉伸行为及控制技术这一关键科学问题，本课题以面向神经接口器件应用的软性可拉伸材料为研究对象，首先开发柔软性材料的激光微加工方法，解决软性材料在机械软性与可加工性之间的不平衡问题；其次发展软性硅胶的纳米孔封堵技术，解决软性材料在软性与绝缘性之间的不平衡问题；最后研究界面性与导电性增强的软性导电复合物作为神经接口界面与导线的新材料，分别解决神经接口界面材料在软性与电化学性能之间，导线材料在软性与导电性能之间的不平衡问题。力图开发出软性可拉伸材料的跨尺度微纳制造技术，为研制能长期使用的可植入MEMS软性可拉伸智能神经接口医疗器件打下坚实基础。

通过本项目的研究，掌握了柔软性可拉伸神经接口器件的设计、制备和测试方法：开发了柔软性材料的激光微加工方法，改善了PDMS膜在激光加工波长处的吸收率，提高了可加工性，降低了激光微加工产生的有害热效应，防止对切割区域周边的材料造成材料物理化学性能的变化。通过在微纳加工工艺中引入保护膜，实现了膜表面的清洁，满足PDMS膜之间的键合要求。发展了软性硅胶的纳米孔封堵技术，气相的Parylene能够进入软性硅胶PDMS膜表面的微孔实现封堵，利用反应离子刻蚀去除PDMS膜表面多余的封堵材料，整体上不影响PDMS膜的拉伸性能与键合性能。研究了界面性增强的软性导电复合物作为神经接口界面材料，通过软性硅胶与导电纳米颗粒形成复合物，具备了一定的印刷性能，方便涂覆到电极表面。在此基础上，系统给出了软性电极体外和体内测试的最常用技术手段，在啮齿类动物模型上完成了软性脊髓电极的体内实验表征过程。我们还证明离体猪脑测试可以认为是一种对现有体外表征测试的补充，在进行在体动物实验受到限制的情况下可以作为备选方案。全面而完整表征对于推进软性神经接口技术，满足体内的长期功能应用具有重要的作用。课题从器件设计、微纳制备、材料修饰、动物体内外测试等多个环节，对基于PDMS的软性可拉伸神经接口器件进行了研究。发表论文28篇，申请发明专利20项，培养硕士研究生4人。全面完成了计划任务，为柔软性神经接口器件的研制与应用打下了良好基础。