本文關(guān)鍵詞：基于導(dǎo)電聚合物柔性MEMS微電極的癱瘓康復(fù)可植入人工神經(jīng)系統(tǒng)研究

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【摘要】：在世界各地每年都有大量遞增的人群罹患由物理性損傷或器質(zhì)性疾病而引發(fā)的脊髓損傷。作為中樞神經(jīng)指令傳遞的重要通道,脊髓的損傷會(huì)直接導(dǎo)致患者身體廣泛性的癱瘓。癱瘓患者們最直接和迫切的需求是通過安全和有效的方式快速地重建其運(yùn)動(dòng)功能。對于癱瘓康復(fù)治療的主要思路為利用可植入人工神經(jīng)系統(tǒng)替代受損的運(yùn)動(dòng)神經(jīng),重建運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)。微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)的快速發(fā)展加速了可植入人工神經(jīng)系統(tǒng)微型化和多功能化研發(fā)的步伐。相較于其它技術(shù),微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)勢體現(xiàn)在尺寸小、重量輕、高可靠性、低功耗、低成本、功能性優(yōu)越以及與生物技術(shù)和分子生物學(xué)的結(jié)合性。盡管研究者們基于MEMS技術(shù)研制了多種多樣的面向癱瘓康復(fù)可植入人工神經(jīng)系統(tǒng),然而該方面研究仍然存在著問題和不足,主要包括三個(gè)方面:1、通過MEMS技術(shù)研制的各類可植入微電極的柔性化和多功能化程度不高,難以作為長期植入物與動(dòng)態(tài)活體生物組織的固有特性相匹配而發(fā)揮多方面功能;2、可植入人工神經(jīng)系統(tǒng)的整體效能嚴(yán)重地受到性能較差的電極-組織接口的制約,有待于研制出新型的有效、穩(wěn)定和安全的電極-組織接口;3、作為運(yùn)動(dòng)癱瘓康復(fù)最直接和有效地方式,利用可植入人工神經(jīng)系統(tǒng)通過電流脈沖直接刺激骨骼肌重建運(yùn)動(dòng)功能方面的研究較為不足。本文在國內(nèi)外相關(guān)研究工作的基礎(chǔ)上,主要研究了基于導(dǎo)電聚合物電極-組織接口改性的、以MEMS技術(shù)研制的多功能柔性MEMS微電極構(gòu)成的、癱瘓康復(fù)可植入人工神經(jīng)系統(tǒng)。論文的主要工作如下:1、研制了兩種新型的應(yīng)用于可植入人工神經(jīng)系統(tǒng)的多功能柔性MEMS微電極:包含流體給藥功能的集成式柔性MEMS微電極和纏繞式柔性MEMS微電極。分別研究了兩種微電極的制備方法和工藝參數(shù),研制微電極的工藝重復(fù)率高且成本低。整體由柔性生物相容性材料構(gòu)成的兩種微電極適應(yīng)于動(dòng)態(tài)生物組織環(huán)境,其獨(dú)特的三維空間電極點(diǎn)分布結(jié)構(gòu)擁有比傳統(tǒng)微電極顯著增強(qiáng)的空間選擇性。通過電化學(xué)沉積導(dǎo)電聚合物提高研制電極的電化學(xué)性能,包括電化學(xué)阻抗和電荷存儲(chǔ)能力。測試和分析了研制電極的力學(xué)性能、穩(wěn)定性和流阻特性。通過活體電生理實(shí)驗(yàn)研究了研制電極的實(shí)際應(yīng)用性能,包括功能性電刺激、記錄肌電信號和通過流體通道給藥。兩種研制微電極均易通過簡單的手術(shù)過程精確植入到目標(biāo)生物組織位點(diǎn),在電生理刺激和信號記錄的同時(shí)能夠以可控流體輸送的方式進(jìn)行生物化學(xué)調(diào)節(jié)。該方面研究為今后的包括運(yùn)動(dòng)癱瘓康復(fù)、深部腦區(qū)電刺激和組織器官功能監(jiān)測與調(diào)節(jié)等多方面研究提供了嶄新的思路和途徑。2、系統(tǒng)全面地研究了用于提高可植入人工神經(jīng)系統(tǒng)性能的多種生物/非生物大分子分別摻雜形成的導(dǎo)電聚合物PEDOT復(fù)合電極-組織接口的多方面性能。研究了生物/非生物分子摻雜PEDOT電極-組織接口的合成工藝,并通過多種顯微觀測技術(shù)表征和研究了其表面形貌和特性。研究和分析了生物/非生物分子摻雜PEDOT電極-組織接口的電化學(xué)性能,包括:電化學(xué)阻抗譜、電荷存儲(chǔ)能力和電荷注入限。分別通過大量重復(fù)循環(huán)伏安掃描和大量重復(fù)電流脈沖刺激研究和分析了六種PEDOT電極-組織接口的電化學(xué)和電刺激穩(wěn)定性。通過表面細(xì)胞培養(yǎng)研究和分析了六種PEDOT電極-組織接口的生物相容性。對六種生物/非生物分子摻雜形成的導(dǎo)電聚合物復(fù)合電極-組織接口各方面性能的系統(tǒng)全面的對比研究為今后導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料的發(fā)展與應(yīng)用提供了研究依據(jù)。3、研制了新型的用于提高可植入人工神經(jīng)系統(tǒng)性能的氧化石墨烯摻雜導(dǎo)電聚合物PEDOT(PEDOT/GO)復(fù)合電極-組織接口。研究了PEDOT/GO復(fù)合電極-組織接口的合成方法,并分別通過掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)和原子力顯微鏡(AFM)研究了其形貌特性。由三維空間上相互交疊的單原子層氧化石墨烯與填充在其中的導(dǎo)電聚合物形成的獨(dú)特復(fù)合結(jié)構(gòu)大大提高了電極-組織接口的比表面積和電荷傳輸速率。通過X射線光電子能譜分析(XPS)、傅里葉紅外光譜分析(FTIR)和紫外-可見光譜分析(UVI)表征分析了其材料結(jié)構(gòu)特性。研究和分析了PEDOT/GO復(fù)合電極-組織接口的電化學(xué)性能,包括:電化學(xué)阻抗譜、電荷存儲(chǔ)能力和電荷注入限。研究和分析了其電化學(xué)穩(wěn)定性。通過測試細(xì)胞活性、細(xì)胞增殖和細(xì)胞粘附研究和分析了PEDOT/GO復(fù)合電極-組織接口的生物相容性。研制的新型PEDOT/GO復(fù)合電極-組織接口表面獨(dú)特的山脊?fàn)钚蚊才c優(yōu)越的電化學(xué)特性和生物相容性使其能夠廣泛應(yīng)用于可植入微系統(tǒng)、組織工程和可控藥物釋放等領(lǐng)域。4、利用研制的可植入人工神經(jīng)系統(tǒng),通過活體電生理實(shí)驗(yàn)研究了大鼠腿部骨骼肌模型的面向癱瘓康復(fù)的多區(qū)域多參數(shù)電刺激響應(yīng)特性。在研究和分析了骨骼肌的運(yùn)動(dòng)機(jī)制、生物電刺激的電化學(xué)過程和通過電極-組織接口的電荷注入過程的基礎(chǔ)上,選取了有效和安全的電流脈沖電刺激模式。研究和建立了通過電流脈沖直接刺激骨骼肌的電刺激收縮力模型,并通過該模型擬合出骨骼肌的電刺激收縮力特性曲線。研究和分析了多區(qū)域電刺激效果、不同頻率電刺激多區(qū)域肌肉響應(yīng)特性和不同幅值電刺激多區(qū)域肌肉響應(yīng)特性。進(jìn)一步通過對不同幅值電刺激多區(qū)域肌肉響應(yīng)特性的西格瑪曲線擬合,總結(jié)得到了大鼠腿部脛骨前肌、腓腸肌、股直肌和股外側(cè)肌的電流脈沖刺激收縮力募集曲線。通過對多塊骨骼肌的多種響應(yīng)特性的研究和總結(jié),得到了利用可植入人工神經(jīng)系統(tǒng)直接電刺激骨骼肌癱瘓康復(fù)的規(guī)律性結(jié)果。
【關(guān)鍵詞】：MEMS 柔性微電極 可植入人工神經(jīng)系統(tǒng) 導(dǎo)電聚合物 癱瘓康復(fù) 電生理
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TH789;R496
【目錄】：

• 摘要3-6
• ABSTRACT6-13
• 第一章 緒論13-36
• 1.1 研究背景概述13-17
• 1.2 癱瘓康復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展17-22
• 1.2.1 面向神經(jīng)修復(fù)的可植入微結(jié)構(gòu)17-19
• 1.2.2 面向控制假肢的可植入神經(jīng)系統(tǒng)19-20
• 1.2.3 面向功能性電刺激的可植入神經(jīng)系統(tǒng)20-22
• 1.3 柔性MEMS微電極技術(shù)研究進(jìn)展22-29
• 1.3.1 柔性MEMS微電極技術(shù)23-25
• 1.3.2 集成流體給藥通道的MEMS微電極技術(shù)25-29
• 1.4 可植入導(dǎo)電聚合物電極-組織接口研究進(jìn)展29-33
• 1.5 本論文的研究意義和主要內(nèi)容33-36
• 第二章 癱瘓康復(fù)可植入人工神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)理論研究36-58
• 2.1 骨骼肌的運(yùn)動(dòng)機(jī)制36-41
• 2.1.1 運(yùn)動(dòng)單元的概念與組成36-37
• 2.1.2 肌纖維的類型與特性37-41
• 2.2 骨骼肌的電刺激收縮力模型41-48
• 2.2.1 力與拉伸關(guān)聯(lián)（ fl）43
• 2.2.2 力與刺激信號關(guān)聯(lián)（Uf或If ）43-44
• 2.2.3 力與時(shí)間關(guān)聯(lián)（tf ）44-48
• 2.3 生物電刺激的電化學(xué)過程48-51
• 2.3.1 電極-組織接口原理48-49
• 2.3.2 非法拉第/電容式電荷傳輸49-50
• 2.3.3 法拉第電荷傳輸50-51
• 2.4 電刺激過程中通過電極-組織接口的電荷注入51-54
• 2.4.1 通過脈沖的電荷注入：電容式和法拉第式機(jī)制的相互作用51-53
• 2.4.2 電壓控制對比電流控制53
• 2.4.3 電流控制的電荷傳輸53-54
• 2.5 有效和安全的電刺激設(shè)計(jì)54-57
• 2.6 本章小結(jié)57-58
• 第三章 集成微流體給藥通道的柔性MEMS微電極58-86
• 3.1 集成式柔性MEMS微電極58-70
• 3.1.1 集成式柔性MEMS微電極的研制58-61
• 3.1.2 電化學(xué)沉積導(dǎo)電聚合物61-62
• 3.1.3 穩(wěn)定性與形貌觀測62-63
• 3.1.4 循環(huán)伏安特性63-65
• 3.1.5 電化學(xué)阻抗譜65-68
• 3.1.6 流阻特性68-69
• 3.1.7 電生理實(shí)驗(yàn)69-70
• 3.2 纏繞式柔性MEMS微電極70-84
• 3.2.1 纏繞式柔性MEMS微電極的研制70-74
• 3.2.2 刺激電流作用區(qū)域仿真74-75
• 3.2.3 電沉積導(dǎo)電聚合物與電化學(xué)性能75-78
• 3.2.4 力學(xué)拉伸性能78-79
• 3.2.5 抗彎折穩(wěn)定性79-81
• 3.2.6 流阻特性81
• 3.2.7 電生理實(shí)驗(yàn)81-84
• 3.3 本章小結(jié)84-86
• 第四章 面向可植入人工神經(jīng)的生物/非生物分子摻雜PEDOT電極-組織接口86-112
• 4.1 生物/非生物分子摻雜PEDOT電極-組織接口的合成86-88
• 4.2 生物/非生物分子摻雜PEDOT電極-組織接口的表面性質(zhì)88-91
• 4.3 生物/非生物分子摻雜PEDOT電極-組織接口的電化學(xué)性能91-98
• 4.3.1 電化學(xué)阻抗譜91-94
• 4.3.2 電荷存儲(chǔ)能力94-96
• 4.3.3 電荷注入限96-98
• 4.4 生物/非生物分子摻雜PEDOT電極-組織接口的穩(wěn)定性98-104
• 4.4.1 穩(wěn)定性測試后電化學(xué)阻抗性能對比分析98-100
• 4.4.2 穩(wěn)定性測試后電荷存儲(chǔ)能力對比分析100-102
• 4.4.3 穩(wěn)定性測試后電荷注入限對比分析102-104
• 4.5 生物/非生物分子摻雜PEDOT電極-組織接口的細(xì)胞生物相容性104-110
• 4.5.1 細(xì)胞活性測試105-106
• 4.5.2 細(xì)胞免疫組化熒光形貌觀測106-108
• 4.5.3 細(xì)胞生長形貌分析108-110
• 4.6 本章小結(jié)110-112
• 第五章 面向可植入人工神經(jīng)的氧化石墨烯摻雜PEDOT電極-組織接口112-134
• 5.1 PEDOT/GO電極-組織接口的合成112-113
• 5.2 PEDOT/GO電極-組織接口的表面性質(zhì)113-116
• 5.3 PEDOT/GO電極-組織接口的材料結(jié)構(gòu)116-119
• 5.3.1 X射線光電子能譜116-117
• 5.3.2 傅里葉變換紅外線光譜117-118
• 5.3.3 紫外可見光譜118-119
• 5.4 PEDOT/GO電極-組織接口的電化學(xué)性能119-124
• 5.4.1 電化學(xué)阻抗譜119-122
• 5.4.2 電荷存儲(chǔ)能力122-123
• 5.4.3 電荷注入限123-124
• 5.5 PEDOT/GO電極-組織接口的穩(wěn)定性124-126
• 5.6 PEDOT/GO電極-組織接口的細(xì)胞生物相容性126-133
• 5.6.1 細(xì)胞1天活性測試126-128
• 5.6.2 細(xì)胞增殖測試128-130
• 5.6.3 細(xì)胞粘附測試130-133
• 5.7 本章小結(jié)133-134
• 第六章 面向運(yùn)動(dòng)癱瘓恢復(fù)的骨骼肌電刺激研究134-147
• 6.1 骨骼肌纖維動(dòng)作電位激發(fā)產(chǎn)生的收縮力134-135
• 6.2 面向癱瘓恢復(fù)的多區(qū)域多參數(shù)電刺激135-145
• 6.2.1 電刺激實(shí)驗(yàn)對象準(zhǔn)備136-137
• 6.2.2 多區(qū)域電刺激效果137-139
• 6.2.3 不同頻率電刺激多區(qū)域肌肉響應(yīng)特性139-141
• 6.2.4 不同幅值電刺激多區(qū)域肌肉響應(yīng)特性141-145
• 6.3 本章小結(jié)145-147
• 第七章 總結(jié)與展望147-152
• 7.1 本論文的主要工作及結(jié)論147-150
• 7.2 本文創(chuàng)新點(diǎn)小結(jié)150-151
• 7.3 未來工作展望151-152
• 參考文獻(xiàn)152-164
• 致謝164-165
• 攻讀博士學(xué)位期間已發(fā)表或錄用的論文與專利165-168

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1 田鴻昌;基于導(dǎo)電聚合物柔性MEMS微電極的癱瘓康復(fù)可植入人工神經(jīng)系統(tǒng)研究[D];上海交通大學(xué);2015年

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本文編號：940108