面向脊髓损伤修复与监测的柔性多模态植入式光电器件研究

作     者：胡润泽 

作者单位：浙江理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：武传宇;贾江鸣

授予年度：2023年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 1004[医学-公共卫生与预防医学(可授医学、理学学位)] 08[工学] 10[医学] 

主      题：柔性电子 脊髓损伤修复 光遗传学 微针阵列 温度传感器 

摘      要：脊髓损伤是一种创伤性事件,不仅会导致毁灭性的神经功能缺陷和残疾,而且会连带其他器官出现功能障碍。同时,脊髓损伤的医治与术后康复不仅对患者自身在物质与身心上造成沉重打击,对于亲属与连带关系的群体也是巨大的负担。目前,支架、干细胞、小分子(抑制剂/激活剂)、康复训练和组合疗法等常用的脊髓损伤修复手段不能有效促进轴突在纤维瘢痕中的延伸以及与损伤后神经元形成突触传递神经电生理信号。然而柔性电子技术与光遗传学的结合将对高度选择性的调节神经元群体时空神经元活动操纵成为可能。基于上述情况,本文以远交群大鼠(Sprague Dawley,SD)为对象,以研究设计一种具有温度与生理电信号监测功能的柔性植入式光遗传学器件为目标。对光遗传学原理与SD大鼠体态分析,获得器件设计的初步尺寸和功能要求。在此基础上,对器件包括发光二极管(LED)、温度传感器、微针阵列电极在内的功能单元进行选型并结合力学分析进行结构设计;对LED工作过程中发热进行在体的热学仿真以及对蛇形导线进行拉伸仿真分析;设计合理的器件制备流程并完成对应实验实现器件制备;进行器件各单元性能测试以及在体实验并分析。本文的主要研究内容如下:(1)对光遗传学进行简要介绍,SD大鼠的体态进行测算分析;分析衬底材料特性,选取合适衬底材料;构建圆弧形蛇形岛桥结构的理论模型,分析获得蛇形导线的合理尺寸;根据光遗传学原理对光源要求,选用LED;根据各类金属特性,设计电阻式温度传感器;根据岛桥结构获得等效微针阵列密度关系分析,获得合适的岛桥微针阵列形式。(2)基于Pennes生物传热方程,将脊髓损伤而失去自我体温调节的老鼠的热传方程简化为被动热传的方程。对器件植入老鼠体内的分析模型进行简化,以不同功率下的LED发热工况进行仿真分析,得到生物与器件的升温过程和最高温度点的情况,均满足生物兼容性在最大温升2℃的要求。将整体器件进行简化,对起主要拉伸作用的三段蛇形导线,加以不同位移载荷进行拉伸仿真分析,在长度方向上实现61mm、30%的伸长,满足拉伸需求。(3)考虑已有设备与材料性能的兼容程度,设计了器件的工艺制备流程,并对实验过后的器件予以表征。在硅片上以聚甲基丙烯酸甲酯(Poly Methyl Methacrylate,PMMA)为牺牲层,聚酰亚胺(Polyimide,PI)为底层衬底材料,溅射钛金并图案化腐蚀完成底层电路,采用钛金溅射抬离制备温度传感器。通过温度和时间控制液态PI的表面能,配合聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)印章转印LED;将SU-8进行光刻制备微针阵列;铜加双层光刻胶的抬离方式实现功能单元金属互联,以派瑞林-C作为封装层,以铜作为掩膜进行反应离子刻蚀除去焊盘、微针的针尖与孔隙处封装材料,通过激光切割获得器件外轮廓,以丙酮渗入PI衬底下去除PMMA获得最终器件。(4)将制备的完整器件分别对于LED、温度传感器、微针阵列、蛇形导线进行性能测试以及在体植入实验。性能测试结果表明各个功能单元性能优异,能够满足手术、老鼠生长、光遗传原理等要求,同时也验证了LED工作期间发热仿真与蛇形导线拉伸性能仿真可靠性。在体实验验证了器件在老鼠体内植入工作一个月对于脊髓损伤修复的积极帮助作用。