《針狀腦部植入電極微動機制及其控制方法研究》是依託上海交通大學，由張文光擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：針狀腦部植入電極微動機制及其控制方法研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：張文光
- 依託單位：上海交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
針狀腦部植入電極可廣泛套用於腦電信號採集與腦部電脈衝刺激，是治療神經系統疾病最有潛力的關鍵技術之一。目前的電極功能壽命僅為數周到幾個月，電極的長期有效性問題已成為限制其發展的世界性科學難題。電極在生物體內的微動及其引起的生物反應是影響其功能壽命的重要因素。本項目擬通過微動機制和微動控制方法的研究，解決電極力學相容性與界面多功能耦合等關鍵科學問題，提高電極功能的長期有效性。首先採用數字仿真和物理模擬方法研究電極的微動機制，揭示微動模式對腦組織損傷、疤痕組織形成、電極功能衰退的影響規律；其次，基於振動控制理論，從隔振、吸振與阻尼減振的角度研究電極的微動控制方法,提出剛-柔複合結構與多功能耦合結構設計方案，通過微納製造技術的集成創新，實現電極微動的有效控制；通過仿真、模擬和動物實驗驗證其有效性。本項目可為解決針狀腦部植入電極的功能壽命問題提供新的方法，同時豐富和發展腦部電極長效設計理論。
結題摘要
本項研究的重點是通過對影響電極失效的重要因素“微動”進行有效控制，以提高針狀腦部植入電極的使用壽命。主要從兩個方面開展了工作，（一）是基於振動控制理論，從整體結構設計上對現有電極進行最佳化和創新設計，減少其在使用過程中微動的發生，進而避免或減輕組織包裹的發生，延長其壽命，設計並製造了基於柔順結構的減振神經電極、基於剛柔結構的神經電極、基於薄板結構的新型減振電極，這些電極可以有效改善橫向和縱向的微振動環境下的應力、應變狀態，減輕對腦組織的損傷，在一定程度上達到延長電極使用壽命的目的，仿真計算表明新型電極可以有效改善微振動環境下的應力狀態且固有頻率避開微振的頻率範圍，減振神經電極的方案在縱向微振環境下：腦組織的有效降低最大應力降低36.6%，腦組織的最大位移量降低43.4%；橫向微振環境下：腦組織的有效降低最大應力從476.848Pa降低到422.666Pa，降低比例約為11.4%；此外，對電極的植入過程、以及電極設計參數可能造成的植入損傷作了探索性研究，建立了神經電極植入損傷評估實驗系統，基於數字圖像相關法，研究腦組織模型在不同電極形狀參數和植入速度下的變形場，結果表明較小的楔形角、外凸流線型和較高的植入速度有利於降低電極植入損傷。（二）是從界面設計的角度出發，採用功能性納米材料摻雜導電聚合物對神經電極位點進行修飾，以提高電極電導率，延長其使用壽命，所製備的修飾塗層可以有效提高電極在微動環境的電學性能，並通過表面設計提高了其在微動條件下的機械穩定性，具體而言：多壁碳納米管摻雜的聚苯胺複合膜修飾電極表面電荷密度比傳統聚苯胺修飾電極提高約14倍、1 kHz 頻率處界面阻抗降低到原來的1/8；二氧化錳摻雜的聚苯胺複合膜修飾電極表面電荷密度提高7倍、摻雜後界面阻抗僅為原來的1/6；粗糙化鉑基底聚苯胺修飾電極的表面電荷密度比光滑鉑基底提高了5.6倍、1 kHz處的界面阻抗降低了1/2，三種修飾電極的穩定性相比傳統聚苯胺修飾電極均有所提高。本項目建立了電極在微動環境下的評價方法，並搭建了實驗平台；建立了電極-腦組織界面微動條件下的建模與力學分析方法；初步建立了基於微動控制的電極最佳化設計方法，並驗證了設計方法的有效性；獲得了性能優異的電極表面修飾塗層，完善了相關的電極表面/界面設計與製備方法；研究結果可為針狀腦部植入電極的最佳化設計提供理論指導。
