《可植入神经修复器件》两卷集简介

章宗穰

(上海师范大学化学系，上海200234)

2010年秋，我接到在美国洛杉矶工作的旅美华裔学者周道民(David Zhou)博士来信，谈起他参与研究开发的帮助盲人恢复视力的ArgusTMII型植入式视觉修复微芯片系统，经美国食品药品检验局(FDA)批准，正在进行人体试验，进展顺利.并告知，Springer出版社约请他和美国橡树岭国家实验室Greenbaum博士共同主编的《可植入神经修复器件》(Implantable Neural Prostheses)两卷集已出版.周道民博士是我在上世纪80年代初的学生，后来又共事数年.80年代末去英国深造，研究生物传感新技术，获得博士学位，并在英国进行博士后研究.之后转赴美国洛杉矶工作，一直在当地的Second Sight公司从事听觉和视觉神经修复的植入式微芯片系统的研究开发.植入耳蜗的听觉修复微芯片系统(人工耳蜗)已在美国、欧洲和亚洲市场销售，惠及不少听觉障碍患者.前几年他回国时，曾向我们作过介绍.相对人工耳蜗而言，人工视觉的研发难度极大.世界各国的研究团队从视觉通路的不同部位着手开发人工视觉系统.目前进展最快的是基于刺激视网膜的人工视觉系统.植入视网膜表面的由60个微电极组成的ArgusTMII型视觉修复微芯片系统在进行了多年动物试验的基础上，经FDA批准于2007年开始为期3年的人体试验.已有32位来自美国、欧洲和墨西哥的志愿者接受了植入试验.研究工作得到了美国国立卫生研究院(NIH)、能源部(DOE)和自然科学基金会(NSF)的支持.他们在这方面的工作进展在国际上受到关注和高度评价.目前，该系统已获准在欧洲上市销售，成为世界上首例产品化的人工视觉系统.在美国上市的申请正在顺利进行中.

上世纪90年代以来，这一涉及多个科技和工程前沿的新兴领域引起了有志于帮助残障人士部分恢复感官功能的各国学者和工程技术人员及企业界的关注和参与，在基础研究和工程技术方面都取得了巨大进展，其市场前景也未可限量.Springer出版社有鉴于此，特地约请在基础研究和工程技术开发方面都有所建树的周道民博士和Greenbaum博士共同主编了《Implantable Neural Prostheses I——Devices and Applications》和《Implantable Neural Prostheses II——Techniques and Engineering Approaches》两卷集，以推进该领域的科学家和工程技术人员之间的学术交流.该书的第一卷着重于微芯片器件和系统的设计、制作和应用，第二卷则着重于加工制作的材料、工艺和工程方面的探索.2011年春节期间，周道民博士回国探亲，期间曾与我会面，并惠赠他的两卷集专著，还介绍了这一前沿领域的研究开发近况.前些时候，我浏览了这两卷内容丰富的书籍，得知世界各国学者、医生和工程技术人员所报道的各自研究开发工作中的成果和心得.第一卷中还有一篇介绍美国及欧洲在制订植入式医学器件标准及临床试验规程方面情况的文章也值得参考.本文拟对这一颇有参考价值的专著作一简略介绍，以飨诸位读者.

在神经科学家、电化学家和微电子、材料及生物医学工程领域科技人员的多年合作努力下，目前已开发的植入式神经修复微芯片系统包括听觉和视觉神经修复、肢体神经修复、脊髓神经修复和脑部深层植入等领域.开发过程中涉及诸多基础科学研究和工程技术问题，诸如:微电子器件和植入部位生物组织界面的兼容和电信号传递，器件及材料的选择及其生物兼容性和稳定性，器件封装材料以及封装工艺的密封性，器件和封装材料在体液环境中的腐蚀和防腐，神经刺激的电化学技术及表征，微电极阵列系统的现场电化学测试以及数据记录、解析及无线传输等.微型传感器及微型生物传感器在植入式微芯片系统中的应用也是具有实际意义的研究课题.以视觉神经修复微芯片系统的工作原理为例，外部图像经安装于特制眼镜上的微型摄像机转换为数字电信号，经电磁场射频无线传输到植入于视网膜表面或其后部的光学神经的微芯片系统，相应的电刺激信号经电极/组织界面作用于视网膜或光学神经，再传输到相应的脑部视觉皮层，最终转换成患者所接收的外部图像.这一复杂而精细过程的每一步都极为精细和缜密.从提高视觉修复的图像分辨率来考虑，必须提高每mm2的像素数量.理想的设计需将面积为5 mm×5 mm的微芯片上的电极数量从目前的60支至少提高到1000支以上.目前正计划进行包含200支电极或更高密度微电极阵列的设计制作.如此高密度的微电极阵列不但要解决微型电极阵列的设计和加工问题，如何克服由于电极间隙的缩小所导致的电极之间的电信号交联，更是一个极为复杂的理论和工艺问题.由于植入式医疗器件是在与体液直接接触的特殊环境中工作，而不是像多数集成电路器件那样在空气中工作，器件封装稍有差池，便会涉及诸多电化学反应，如此高密度的电极间的电信号交联现象的出现变得更为常见，这些都是研究人员所面临的严重挑战.两卷集专著所刊载的一些论文分别就上述论题进行了探讨.

各类患者对植入式神经修复微芯片系统的需求推动着研究工作的快速进展.以视觉修复器件为例，据美国相关机构统计，美国国内15岁以上人群中，约有800万人有视觉缺陷，其中有180万人无法辨认文字.因视网膜病变而造成视觉障碍者在其中占了相当比例.新生儿中有视网膜病变者的比例约为1/4000.每年的经济损失约在40亿美元以上.患者的个人痛苦则更不待言.植入式视觉修复微芯片系统有望为其中的一部分患者改善症状，解除痛苦和提高生活质量.

我国科技人员对这一快速发展的新领域也极为关注，积极参与.两卷集中也报道了上海交通大学生物医学工程系、中科院声学研究所及北京大学附属人民医院眼科的科研人员和临床医生的合作研究进展.

如同读者近年来已熟知的生物芯片及微流控芯片那样，植入式神经修复微芯片系统与微型传感器的研究开发及电化学技术有着相当密切的关联.期望有更多关注这一领域的本刊读者阅读该书，以了解这一前沿领域的最新进展，并与神经科学家、电化学家及微电子、材料和生物医学工程领域的科技人员以及临床医生合作，参与研究开发工作.也期望有志于植入式医疗器件开发的企业投身这一新兴领域，积极推动研究开发的协作.

应本刊之约，周道民博士撰写了神经修复微芯片系统研究开发进展的评述(见本期第249页).

此两卷集的主编、书名和国际标准书号如下:

Editors:David Zhou and Elias Greenbaum

《Implantable Neural Prostheses I——Devices and Applications》，ISBN 978-0-387-77260-8

《Implantable Neural Prostheses II——Techniques and Engineering Approaches》，ISBN 978-0-387-98119-2

有兴趣的读者可访问Springer出版社的网页(http://www.springerlink.com/content/978-0-387-77260-8/)，获取更多信息及免费阅览部分章节以及已在刊物上发表的相关论文信息.

致谢:本文经中国仪表学会《化学传感器》编委会同意同步转载，特此致谢.