均向拉伸聚吡咯电极的制备与电生理信号传导性能研究

作     者：赵秦艺 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：果崇申

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：神经电极 聚吡咯 低阻抗 均向拉伸 

摘      要：神经电极是创建神经系统和外部装置的界面的重要桥梁,补充或恢复由于各种原因受到损伤的神经系统的功能。传统刚性材料由于其与组织不匹配的机械强度和与组织液界面间巨大的阻抗,会造成组织磨损和信号分辨率低等问题。导电聚合物作为一种新型的柔性导电材料,解决了传统刚性材料的弊端。本文使用微纳技术对电极进行形貌修饰,改善电极界面阻抗过大造成记录信号不清晰的问题,同时能提高其电荷存储容量。通过柔性绝缘基底的形貌改进和预拉伸等策略使本身刚性的导体材料具有拉伸性,解决了电极与组织界面的机械不匹配问题。本论文选取导电聚合物中的聚吡咯作为电极导体材料,PDMS作为电极的基底材料,制备了低阻抗、可均向拉伸的神经电极。其中,以表面带有不规则金字塔形貌的硅片作为工作电极,通过原位电化学聚合,在硅片表面制作聚吡咯电极阵列,使膜表面带有金字塔结构,再在其电极位点处生长一层纳米线。金字塔结构可有效提高膜的表面积,降低阻抗（比金电极低2-3个数量级）,纳米线也提高了电荷存储容量（是金电极的169倍）。同时,凸出的纳米线使电极与组织更加紧密接触和有效耦合。随后,制备出的带有规则金字塔阵列的PDMS基底用于电极的均向拉伸。通过此种方式,电极获得了稳定的均向拉伸性（1000次机械加载下及不同应变下电极电阻率均不变）,拥有了优越的机械性能。最后,为了表征该电极具有实际应用的潜质,我们将其用于大鼠体内记录其肌电信号和心电信号。记录得出的健康大鼠清晰、强烈、有规律的肌电信号和心电信号证明了该电极的临床实用性。综上所述,本实验制作的神经电极具有低阻抗、均向可拉伸的特性。通过形貌修饰得到了优越的电学性能,通过均向预拉伸的形式实现了非常稳定的机械性能。最后,神经电极成功应用于小鼠体内检测到了清晰的电生理信号,为神经电极的制作和应用提供了一种有效的参考。