目的對(duì)帶有涂層修飾的柔性神經(jīng)電極進(jìn)行力學(xué)綜合性能的評(píng)估,為電極及涂層參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。方法對(duì)接觸、植入以及微動(dòng)階段建立簡(jiǎn)化力學(xué)模型,以聚酰亞胺為電極材料,PEG為涂層材料,PDMS模具注塑法為涂層涂覆方法,設(shè)置40、80、120、160、200μm涂層厚度梯度,對(duì)3個(gè)因素（臨界載荷、最大形變、腦組織最大應(yīng)變）進(jìn)行綜合對(duì)比評(píng)估。結(jié)果厚度增加會(huì)引起臨界載荷增大、最大形變減小以及腦組織最大應(yīng)變減小,同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致腦組織應(yīng)變區(qū)域增大。均衡3個(gè)因素考慮,選擇200μm作為涂層最佳厚度,在該厚度下,臨界載荷為17.9 m N,最大形變?yōu)?0.1μm,腦組織最大應(yīng)變?yōu)?.011 4。結(jié)論涂層厚度對(duì)神經(jīng)電極的力學(xué)性能有較大影響,在具體情況下可通過(guò)設(shè)置多個(gè)力學(xué)性能因素的影響因子選擇最優(yōu)參數(shù)。涂層的最優(yōu)參數(shù)選擇可提高電極的性能,對(duì)神經(jīng)電極的臨床應(yīng)用具有重要意義。 

【文章來(lái)源】：醫(yī)用生物力學(xué). 2020,35(05)北大核心

【文章頁(yè)數(shù)】：7 頁(yè)

【部分圖文】：

電極、涂層參數(shù)和模具實(shí)物圖

腦組織在微動(dòng)狀態(tài)下產(chǎn)生大變形，采用超黏彈性本構(gòu)作為大腦組織材料模型能夠更為合理地描述組織力學(xué)性質(zhì)，可以同時(shí)考慮組織變形時(shí)材料的非線性與時(shí)變性，避免采用線彈性材料使得應(yīng)變計(jì)算結(jié)果偏低的缺點(diǎn)，得到的仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確。本文采用馬亞坤等[18]提出的非線性黏彈性腦組織模型進(jìn)行微動(dòng)損傷仿真，以腦組織最大應(yīng)變作為微動(dòng)損傷的評(píng)價(jià)指標(biāo)。首先，采用1/4建模法建立腦組織-電極模型[見圖2(c)]。由于腦組織產(chǎn)生微動(dòng)損傷的區(qū)域通常在電極周圍數(shù)百微米范圍內(nèi)[19]，為了對(duì)敏感區(qū)域進(jìn)行限制，將腦組織模型的邊界與電極中心線距離定義為750μm，以將微動(dòng)產(chǎn)生的所有應(yīng)變場(chǎng)都包含在內(nèi)，消除邊界效應(yīng)的影響。由于腦組織與電極的相對(duì)微動(dòng)可以看作隨時(shí)間變化的位移載荷，故采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析對(duì)電極-腦組織的微動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真。本文采用ANSYS Workbench 15.0瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)模塊(Transient Structural)進(jìn)行有限元分析。采用Ogden超彈性本構(gòu)模型和Prony級(jí)數(shù)定義的黏彈性本構(gòu)模型來(lái)描述腦組織特性。腦組織材料密度為1.042 5 g/cm3，超彈性模型下μ=5 160 Pa，α=6.95，黏彈性模型下G1=0.583 7，τ1=25.71 ms,G2=0.238 7，τ2=25.7 ms[20]。由于采用1/4對(duì)稱法建立電極-腦組織模型，需要對(duì)整體模型設(shè)置XY平面和YZ平面的對(duì)稱約束。在仿真初始狀態(tài)，電極與腦組織緊密接觸，在創(chuàng)建界面接觸時(shí)，將電極設(shè)置為目標(biāo)面，腦組織設(shè)置為接觸面。由于電極與腦組織間具有黏附作用，接觸類型選擇摩擦接觸，接觸算法采用增廣拉格朗日乘子法，并將摩擦系數(shù)定義為0.2[21]。由于大腦皮層往下延伸通過(guò)腦干連接至脊髓，大腦運(yùn)動(dòng)受到限制，故定義邊界條件時(shí)，應(yīng)固定腦組織下表面，約束其所有自由度，而將上表面設(shè)為自由面。

根據(jù)式(1)計(jì)算不同涂層厚度下的臨界載荷。在其他參數(shù)不變的情況下，臨界載荷隨著厚度的增加而增大，且這種變化趨勢(shì)為非線性，厚度增加越多，變化趨勢(shì)更陡[見圖3(a)]。臨界載荷越大，表明在接觸過(guò)程中，可以在插入裝置端施加更大的力，幫助電極植入而不出現(xiàn)失穩(wěn)情況。當(dāng)厚度為200μm，在施加的力超過(guò)17.9 m N時(shí)，電極才會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)情況。2.2 植入過(guò)程分析

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]神經(jīng)電極的水凝膠涂層及楔形角對(duì)組織損傷的影響[J]. 唐嘉琪,張文光,尹雪樂.  醫(yī)用生物力學(xué). 2018(04)
[2]基于ANSYS/LS-DYNA的神經(jīng)電極植入腦組織過(guò)程數(shù)值仿真[J]. 馬亞坤,張文光,楊鵬.  醫(yī)用生物力學(xué). 2015(06)
[3]神經(jīng)電極-腦組織界面微動(dòng)環(huán)境力學(xué)特性仿真[J]. 吳棟棟,張文光,MERCERON Gilles,羅云.  浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版). 2013(02)



本文編號(hào)：3044092