Implantable biocompatible electrode material?

从材料技术的角度看，脑机接口技术需要能够长期滞留脑内的生物相容性的材料。而神经电极技术却发展缓慢。首先，为了更全面地获取大脑信息，电极采样应当体积大、位点多。然而，体积越大，位点越多就越容易损伤大脑。其次，高精确度、高密度的电极需要尺寸尽可能小，然而，微小的电极触点又会带来高阻抗、高系统噪音、低信噪比等问题。因此，从材料科学也没有办法为脑机接口提供合适的材料。从机械技术的角度看，需要使用高精确度的手术机器人将脑机设备植入大脑。脑机设备植入手术需要将电极和其他设备精确地植入大脑特定区域，稍有闪失，便会造成疗效不佳、甚至大脑损伤的后果。因此，脑机接口植入手术的技术尚未成熟，以现有技术，容易造成大脑出血、感染、损伤等一系列问题。

侵入式双向脑机接口系统设计指标：在设计侵入式脑机接口的过程中存在以下需要注意的局限性。例如,由于较低的生物相容性可能造成生物组织损伤或感染;电极的外观需要设计成３维立体而非平面;多通道信号的采集要求系统能够实时处理较大的数据量传输,并且在传输过程中不能丢失重要的神经活动信息;系统的可侵入特性对系统的功耗和尺寸均有严格要求,同时脑机接口系统还要满足无线传输、自适以及分布式等条件;脑机接口系统要和对应的皮层代表区域协同工作,促进神经可塑性;通过脑机接口控制的假肢需要能够完成复杂的动作,能够整合不同位置采集到的脑电信号。
生物相容性是指主体生命体系统对外来非活性材料制成的设备产生反应的性能。设计侵入式脑机接口的原则包括：1、所使用材料的化学性质及物理性质需要具有较高的生物相容性，例如钛，金，以及聚合物生物材料；2、所使用材料具有较高的稳定性，不会与周围环境产生反应，例如脑脊髓液、脑组织、头骨和皮肤等；3、所使用材料不能对设备或生命体系统的功能产生影响。例如，所使用材料不能阻碍信号无线通信传输。神经组织对于植入体内的外来设备诸如微电极阵列十分敏感，即使微小的位移也可能造成神经组织的损伤。这种损伤包括急性损伤和慢性损伤两种类别。机体对机型损伤的反应包括由外来生物材料以及被血脑屏障阻碍地巨噬细胞聚集直接引起地炎症反应。在慢性损伤中，血清蛋白被释放到大脑中，随即会试图清除损坏地机体组织和杂质，严重的情形下会产生胶质细胞增生，胶质细胞的增生产生的胶质癒痕能够防止大脑受到进一步的损伤或感染。胶质癒痕不具有导电性，因此微电极阵列周围产生的胶质癒痕阻碍了电极和神经细胞间的信息通道。由于增生的神经胶质细胞占据了原有神经细胞的位置，将神经细胞向外推送，导致侵入式电极和传感器周围的神经元密度下降。胶质细胞增生使得电极阻抗增加，阻抗的大小和信号清晰度呈负相关。胶质癒痕的产生使得脑电信号的信噪比降低，减少了正常工作的微电极数目。因此，长时间的侵入式脑机接口数据采集需要定期进行系统重新校准。

随着纳米技术的发展，神经电极也在不断优化，与大多数由惰性金属或半导体材料制得的传统电极相比，柔性植入式神经微电极与柔软、动态的神经组织物性更相符，在生物相容性、导电性和可靠性上具有突出优势。但其在临床应用方面仍存在一些问题，如体内组织反应会使植入式电极长期稳定性无法得到保证，界面贴合匹配度低会影响信号质量等。

用于神经记录和刺激的电极分为两大类：植入式电极和体表电极。体表EEG、EMG的记录多采用Ag/AgCl电极，植入式电极用来对中枢神经（CNS）和外周神经进行记录和刺激。外周神经刺激通常是为了激活或增强肌体相关部位的功能，科学家正在开发直接用脑电信息控制功能电刺激仪（FES）的技术，以实现对瘫痪肢体更自然的控制，对大脑的深部刺激主要用于治疗帕金森氏病或癫痫的发作，对外周神经进行记录主要是为了疾病评估或作为脑-机接口的反馈输入。
神经细胞活动产生的电压变化可以通过两个电极或者同一个微电极阵列的两个探针采集到。对于单端输入的通道，其中一个电极连接参考电位或者地，另一个电极作为信号接收电极。差分输入通道使用两个电极作为信号接收电极，两个电极接收的信号中相同的部分将被减去，因此差分输入通道能够获得更好的共模噪声抑制结果。侵入式脑机接口系统的电极与脑皮质直接接触，因此不存在由人体组织和骨头造成的信号传导问题，由此获得较高信噪比的信号。电极设计的发展趋势一直追求更薄更灵活的外观为目标，这样能够将手术植入设备带来的创口最小化。材料的选择将决定系统保持结构完整性和生物相容性的能力。根据不同的电极材料，侵入式传感器电极可以分为三种类型。第一种是采用不诱钢或钨造的微丝；第二种是包括密歇根式和犹他式等基于硅的电极；以及第三种易弯曲的由聚酰亚胺、聚对二甲苯或苯并环丁烯制成的微电极。
双向脑机接口植入电极主要用于测量神经元激活时产生的电压，通常使用微电极阵列采集神经元活动信息并且发送电流激励信号。应用在双向脑机接口的微电极阵列中，Utah Array由于出色的长期稳定性被广泛应用在各项侵入式脑机接口研究中。将电极放置到大脑的什么位置以及选取何种电极植入需要对不同的案例进行严格的分析。在临床应用中有以下几种常用的颅内电极：

硬膜下电极：硬膜下电极为植入硬膜下的电极阵列，通常为多点状网络结构，与大脑表面直接接触。硬膜下电极通常由柔性的材料制成，便于紧贴大脑表面，产生自然的弧度。硬膜下电极通常用于记录局部场电位变化，某一局部多个神经元活动产生电位变化的总和。硬膜下电极通常能够覆盖大脑皮层表面很大面积区域，因此对于分析大脑认知功能，例如，语言、感知运动、注意力以及记忆力等方面植入硬膜下电极具有优势；
立体深层电极：立体深层电极可以被精确放置在某些特定疾病，例如癫痫发作的全在区域；
分层电极：分层电极能够同时记录大脑不同皮层的神经元同一时刻的活动信息。能够从24个间隔150微米的电极接触点记录局部场电位、多个神经元活动以及单一神经元活动信息；
微电极阵列：犹他微电极阵列（Utah Array）通常包含96个电极探针，能够记录多通道，高密度的大量神经元电位变化信息。能够记录稳定的脑电棘波信号以及局部场电位信号。微电极阵列采集的脑波信号为研究提供了小范围脑部区域内高空间分辨率的重要信息。

目前应用于神经工程系统的微电极形式大致可分为箍形微电极、针形阵列微电极、平面阵列微电极和筛形微电极4种：

箍形微电极：传统箍形微电极的制作方法是利用铂金箔作为电极材料，结合医用级硅橡胶作为绝缘封装材料，并焊接不锈钢导线手工制作而成。德国生物医学工程研究所研制的箍形微电极是利用MEMS工艺，以柔性聚酰亚胺为基底材料加工薄膜微电极阵列，然后与拉伸的硅橡胶膜粘接，利用硅橡胶膜的弹性收缩，整个材料自动卷曲成圆筒箍形；
针形阵列微电极：是一种可同时记录或刺激大量神经元的微电极技术。针形阵列微电极往往在几个平方毫米的面积内排列数百个电极，每个电极能够选择性地激活或关闭。通常由硅基材料利用MEMS技术加工制作微电极，比较典型的针形阵列微电极形式主要由Utah型和Michigan型；
平面阵列微电极：通过MEMS工艺在硅基材料或柔性聚合物材料上加工金属微电极阵列，然后通过微印章技术以一定形状团在电极基质材料上涂敷细胞固着分子用于锚定神经细胞，或者通过光刻方法加工栅栏形或笼形微腔实现物理锚定，然后这些锚定的神经细胞经培养生长形成神经网络；
筛形微电极：通常是平面微加工技术在硅片或聚合物材料上加工微孔阵列，微孔直径通常在40~65um，每个微孔周围通过溅射方法加工有金属微电极。筛形微电极主要用于神经再生研究，通过将切断的外周神经两端置于与筛形微电极导管间，损伤的神经可以通过筛形微电极小孔再生。

双向脑机接口的系统植入位置一般分为三类：

第一类侵入式系统仅有电极或电极阵列被植入人体内部，系统其余部分诸如数据采集模块，无线通信模块等均放置于体外，两部分之间通过电缆线相连。这种植入方式需要通过手术移除一小部分头骨，将电极或电极阵列植入大脑皮层，连接电极和外部设备的电缆线穿过头骨上的缺口，因此，这样的有线连接存在感染的潜在风险；
第二种侵入式系统植入方式将微电极阵列和信号采集系统，无线数据传输系统以及电池系统全部通过头骨上的小孔植入，将设备固定在头骨上。这种植入方式的优点在于避免了开方式创口，降低感染风险。然而，由于系统的大部分模块全部植入头骨以下部分，和脑膜以及大脑皮层等重要器官近距离接触，因此，对于系统的热耗散和功耗要求非常严格。要想达到无线传输大量数据需要很高的功耗，所以必然要牺牲数据质量来降低功耗；
第三种也是在近期研究中被广泛使用的一种侵入式脑机接口植入方式，将完全植入大脑的设备分为两部分，一部分是皮层部分位于头骨下方的电极或微电极阵列，另一部分为颅脑部分位于头骨上方头皮下方的封装完整的数据采集、传输以及电源管理模块。这种植入方式能够有效的解决上面两种方式具备的缺点，降低或彻底避免热耗散、电流漏泄、创口感染以及其他可能发生的问题。同时，完整的植入式设备也为佩戴者提供了良好的用户体验。)

脑电极的主要功能是实现以粒子为载体的生物电信号与以电子为载体的通用电信号之间交换和传递。

深度电极阵列通过穿透脑组织与目标神经元接触，获取单个神经元发放的Spike信号，或几百微米范围内的一小群神经元的局部场电位（LFP），该电极具有较高的空间分辨率。但由于脑的持续机械运动，电极难以相对神经元保持静止，稳定性较低，长期植入可能出现组织炎症或机械损伤，并且易引起的大脑成纤维细胞的胶质增生而降低信号质量。

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Implantable biocompatible electrode material? #8