一种慢性植入式微丝电极阵列性能的改进和评价方法研究

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大脑是生物体内最复杂的系统。大脑对外部事件响应和处理信息的每一个过程,需要许多神经元联合作用。为了揭示大脑信息处理的复杂机制,必须获取充足数量在体神经元的电活动信息。微丝电极阵列记录技术是一种理想的电生理检测方式,能够同时获取大批神经元的电活动信息。对研究大脑神经元和神经网络的工作机制,为开发新的神经修复技术奠定基础。微丝电极阵列制备相对简单,并且,自制微丝电极阵列具有体积小、记录点数多、性能稳定可靠等特点。电极阵列是电生理实验中昂贵的易耗品,价格低廉的自制微丝电极阵列得到了广泛的应用,目前电极阵列的尖端形态差以及记录寿命短。为制备成本低且具有可接受性能的微丝电极阵列,本文首先分析影响电极阵列长期记录性能的关键因素并确定电极阵列改进的方向,从电极阵列制备和尖端表面修饰两个方面对现有制备工艺进行改进,建立了修饰电极阵列的阻抗模型,并对其电化学阻抗性能、信号记录能力和生物相容性进行系统地评价。主要内容如下:(1)从电极阵列的制备工艺和电极阵列尖端表面修饰两个方面对电极阵列的性能进行改进。一方面改进电极阵列的制备和电极阵列尖端切割方法,采用改进后工艺制备的电极阵列,整齐度提高,电极阵列的尖端表面光滑整洁,减小了植入后对动物脑组织的伤害;另一方面采用在电极阵列尖端构筑一层高分子导电聚合物的方法对电极阵列尖端进行修饰。(2)建立了修饰电极阵列-导电聚合物-电解液阻抗的等效模型,并通过体外电化学阻抗谱测试,验证了等效模型的有效性,并且修饰后电极阵列的阻抗相比于未修饰电极阵列的阻抗平均降低了56.1%。(3)通过慢性植入实验,定期采集慢性植入大鼠的信号。从信噪比、神经元输出和记录寿命三个方面对电极阵列的长期记录信号的能力进行了评价。与未修饰电极阵列相比,修饰电极阵列的信噪比更高;神经元输出更多;记录寿命更长。(4)监测了慢性植入大鼠的生理指标,制备了荧光免疫组化切片。修饰电极阵列植入大鼠脑区后,大鼠的各项生理指标基本保持正常,而未修饰电极阵列植入大鼠脑区后,大鼠的各项生理指标均不正常。修饰电极阵列测点周围的星形胶质细胞的聚集程度小于未修饰电极阵列测点周围的星形胶质细胞的聚集程度。综合生理指标和荧光免疫组化切片表明修饰电极阵列的生物相容性良好,且优于未修饰电极阵列的生物相容性。结果表明,按照本文改进工艺制备的和尖端表面修饰过的电极阵列具有良好的电化学阻抗性能和生物相容性。电极阵列制备成本低、记录寿命长,能够满足一般神经电生理实验的要求。
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