多间距视网膜表面微电极阵列设计与特性测试*

崔红岩 郝玲玲 陈俪行 胡 勇 徐圣普 冯 莉 谢小波*

多间距视网膜表面微电极阵列设计与特性测试*

崔红岩①郝玲玲①陈俪行②胡 勇①徐圣普①冯 莉①谢小波①*

目的：为优化视网膜微电极阵列的设计而设计多间距电极阵列，并对其进行性能测试。方法：采用聚氯代二甲苯(parylene)柔性材料作为柔性衬底，以惰性金属Au作为电极材料，设计不同间距的单排电极阵列，并对微电极阵列的外观、机械性能和柔韧性进行测试。结果：经测试，微电极表面及边缘清晰，导线与电极之间连接完好，连线间无短路。柔韧性检测显示，微电极阵列的柔韧性满足下一步动物实验的要求。结论：设计完成的微电极阵列可为进一步的动物在体视网膜微电极实验提供可靠的条件。

视网膜表面微电极阵列；视觉假体；优化设计

[First-author’s address] Institute of Biomedical Engineering, Perking Union Medical College and Chinese Academy of Medical Sciences, Tianjin 300192, China.

老年黄斑变性(age-related macular degeneration，AMD)和视网膜色素变性(retinitis pigmentosa，RP)是两种最常见的外层视网膜退化性疾病，进而导致数百万人的视力障碍和失明[1]。据世界卫生组织统计，AMD已经成为全球范围内失明的第三大主要原因[2]。

视觉假体概念的提出，为AMD患者恢复视力带来了希望[3-5]。视觉假体是通过电刺激视觉途径(存活的视神经细胞、视网膜的光感受器或视神经)来达到恢复视力的目的。目前，视网膜假体主要有两种，依照视觉假体植入的部位分为外层型和表层型。其中，表层型植入视网膜假体的研究备受关注，与外层型视觉假体相比具有多项显著优点。视网膜表面假体的植入和植入后的随访检查只需要标准眼科手术技术，可有效降低植入手术创伤的风险，植入的微电极阵列更换时较为容易。同时，视网膜表层假体植入后利用眼内的生理液进行散热，不易对视网膜造成损伤，可以进行长期植入[6]。

视网膜微电极阵列是视觉假体的关键组件，通过将电刺激施加到视网膜上，激活视网膜内尚未受损的视神经细胞使其被激活，并将电信号经由视神经传输到大脑皮层产生图形，决定了视觉成像的分辨率和视觉假体的工作效率[7-8]。

本研究从视网膜表面微电极阵列的优化设计入手，设计制作不同间距的微电极阵列，并对微电极阵列的物理性能进行检测，为进一步的动物在体实验提供依据。

1 多间距视网膜表面微电极阵列设计

1.1 电极阵列设计

(1)微电极阵列材料。在进行微电极阵列设计时需优先考虑下述因素：①电极衬底和电极材料的生物相容性和稳定性，以允许微电极阵列在视网膜内长期植入；②可植入的微电极阵列应与视网膜的弧度重合，以保证植入后微电极阵列很好地与视网膜贴合；③要求在植入微电极阵列时可从较小的手术切口植入，对视网膜周围组织的创伤尽可能小。因而引出衬底材料及形状。

本设计采用聚氯代二甲苯(parylene)作为衬底材料，其具有很好的生物相容性、良好的柔韧性(杨氏模量4 GPa)、化学惰性(抗腐蚀能力)以及较低的水渗透率。电极材料选择惰性金属Au，其同时具有良好的生物相容性和抗腐蚀能力。

微电极阵列的厚度直接决定了电极阵列的柔韧性，若材料太薄则电极植入时会发生卷曲；如果太厚则电极片太硬，植入后不能符合视网膜的弧度，而且会在成对视网膜及周围组织造成损伤。经过试验，电极阵列厚度确定为20 μm最为合适。

(2)微电极阵列优化设计。现有的视网膜电极主流设计为正方形，尽管采用柔性材料作为电极阵列的衬底，在微电极阵列植入过程中和植入视网膜以后，电极阵列的边缘会造成对视网膜的损伤。由于视网膜本身非常脆弱，尤其视网膜神经元对压力非常敏感，即使是弱眼压维持较长的时间，视神经元仍会凋亡。此外，视网膜如果发生穿孔或牵拉会从下层的眼组织脱落，最终失去视觉功能。因此，将阵列的植入部分设计成圆弧形的边缘，避免了植入过程中和植入后对视网膜及周围组织的损伤(如图1所示)。

图1 微电极阵列圆形头部设计

尽管电极直径越小，可以产生的视觉分辨率越高，但电极的制作难度越高。本研究将微电极直径选择为75 μm，以期由此电极阵列产生较高的视觉分辨率。设计不同的电极间距，如图1中微电极#1、#2、#3和#4之间为不相等间距，在电极刺激试验中，任意两个电极之间都可以组成一对刺激电极-接收电极，其组合成的电极间距的排列见表1。电极#1、#2、#3和#4为4个电极，当其中一个电极为刺激电极，任意一个相邻或相间隔的电极为刺激接收电极时，可以产生不同组合的刺激电极-接收电极间距。这样，在试验中可以观察不同电极间距所产生的电刺激阈值和刺激效果。同时，单排的电极阵列设计可在体内实验室排除旁路电极的电刺激干扰，使实验在单一条件下进行，便于在简化的条件下观察电极间距对刺激效果产生的影响。

表1 刺激电极-接收电极对间距

1.2 电极制作

采用标准的MEMS技术制作基于parylene C的微电极阵列[15]。微电极阵列的制作过程如图2所示：将300 nm厚度的铝(Al)晶片制作成牺牲层释放结构；将12～14 μm parylene C层沉积在硅烷化后的硅片作为绝缘层，增加粘合剂。溅射Au和Cr(70 nm×200 nm×70 nm)金属层按照光刻图制作电极，金属引线和连接盘；上层12～14 μm绝缘parylene C层涂层；500 nm铝层屏蔽层通过蒸发、光刻技术和电化学侵蚀完成对parylene C的氧化等离子体干法蚀刻加工；屏蔽层移除Cr后对涂层表面的电极进行腐蚀；采用电解方法电解掉Al牺牲层，从硅片上释放电极片。

图2 采用MEMS技术的微电极阵列制作流程

1.3 微电极阵列物理特性和柔韧性的观察

将微电极阵列置于显微镜下，观察电极的形态特征、电极点、引线和连接情况，用模拟视网膜模型观察微电极阵列的柔韧性。

2 结果

2.1 微电极阵列形貌观察

显微镜下观察显示，微电极表面及边缘均清晰，并行导线之间无短路，引线与微电极之间很好地连接(如图3所示)。

图3 微电极阵列形貌观察图

2.2 微电极阵列柔韧性观察

电极的柔韧性测试通过镊子轻轻折转弯曲来进行。微电极阵列可轻易被折转弯曲形成很好的弧度。微电极阵列需在大鼠视网膜进行初步实验观察，如图4(a)所示，下方为模拟大鼠眼球视网膜弧度的模型，模型下方的半圆弧模拟大鼠视网膜的弧度，由图中可观察到微电极阵列可弯曲成相近的弧度；图4(b)显示，模拟微电极阵列贴合在大鼠视网膜的模拟实验可观察到微电极阵列与弧形的模型外壁紧密贴合。当镊子松开后，微电极阵列回复平面形状，电极阵列本身未出现折痕，说明微电极阵列有较好的柔韧性。

图4 电极阵列弯曲度检测结果

3 结论

设计理想的视网膜微电极阵列，材料的生物相容性、电化学特性和微电极参数均为电极阵列设计的重要因素，其优化设计有助于提高视网膜假体的空间分辨率[9]。具有良好的柔韧性和生物相容性的parylene C作为微电极阵列的衬底，可使电极阵列在植入时对视网膜周围组织造成的创伤达到最小；同时，在微电极阵列的长期植入过程中，可抵抗眼球液对电极阵列的腐蚀[10]。将微电极设计成为不同的间距，可对不同的电极间距进行电刺激观察，为电极阵列的优化设计提供依据。

本研究设计并制作了parylene C为衬底的视网膜表层微电极阵列，微电极之间具有不同的间距，初步试验显示，电极阵列有较好的柔韧性，可弯曲成为实验大鼠的眼球视网膜的弧度，同时，植入方式简单，对视网膜及周围组织形成较小的创口。这种间距不同的电极阵列可在试验中检测不同电极间距对刺激效果的影响[11]。同时，电极阵列前端的圆弧形设计可在植入过程中减小对视网膜的损伤，并且，圆钝的电极阵列边缘避免了植入后形成对视网膜的压力而造成损伤。对于在麻醉大鼠眼球实施的急性植入试验，电极阵列固定后眼球移动造成的影响可基本忽略；而对于进一步准备的长期(慢性)植入手术，眼球移动因素应予以考虑，准备在电极阵列表面涂以氧化铱进行修饰，可降低电极表面阻抗提高电荷注入，进而降低刺激电流，避免电极长期植入对视网膜细胞的损伤[12]。

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Design and feature test of multi-distance epi-retinal microelectrode

CUI Hong-yan, HAO Ling-ling, CHEN Li-xing, et al

China Medical Equipment,2014,11(4):1-4.

Objective: To optimize the design and fabrication of epi-retinal microelectrode array for the retain vision of RP and AD patients, multi-distance flexible electrode array was designed and fabricated. Electro-chemical feature test of the array was performed. Methods: Parylene with flexibility and biocompatibility was used as substrate material and Au was used as electrode material. Multi-distance microelectrode array was designed and fabricated, and then mechanical property and flexibility of the array were tested. Results: Mechanical property and flexible test results showed that the fabricated microelectrode array fulfilled the design requirement. Conclusion: The designed and fabricated array can be put into animal experiment for optimization design of the array by obtaining in vivo electro-physiological test results.

Epi-retinal microelectrode; Retinal prosthesis; Optimization design

1672-8270(2014)04-0001-04

R318.18

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.04.001

崔红岩,女,(1979- ),硕士，助理研究员。中国医学科学院北京协和医院生物医学工程研究所，从事神经电生理信号分析与处理、神经系统模拟与建模。

2014-01-24

国家自然科学基金(81271667)“视网膜微电极植入动物体后受内环境电生理因素影响的仿真研究”；天津市科技支撑计划重点项目(10zckfsy08400)“视网膜表面微电极阵列的研制和动物实验研究”

①中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所 天津 300192

②香港城市大学生物医学工程系 香港 999077

*通讯作者：ykyxxb@163.com