[發(fā)明專(zhuān)利]一種植入式藍(lán)寶石基二維神經(jīng)激勵(lì)芯片及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210574025.3
• 申請(qǐng)日: 2012-12-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103083827A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-05-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫小菡;董納;陳源源;蔣衛(wèi)鋒
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): A61N5/06
• 分類(lèi)號(hào): A61N5/06
• 代理公司: 南京蘇高專(zhuān)利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種植入式藍(lán)寶石基二維神經(jīng)激勵(lì)芯片及其制備方法。所述芯片經(jīng)封裝后可構(gòu)成發(fā)光、傳輸與探頭一體化集成的植入式二維神經(jīng)光激勵(lì)裝置，屬于集成光學(xué)，半導(dǎo)體制造和神經(jīng)工程技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)研究的深入，細(xì)胞級(jí)的神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)調(diào)制對(duì)于研究神經(jīng)活動(dòng)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中傳輸擴(kuò)散的性質(zhì)，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)能模型至關(guān)重要。與此同時(shí)，一些復(fù)雜神經(jīng)疾病，和對(duì)通常治療方法有抗性的動(dòng)作或情緒失常，如帕金森病、張力障礙、運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元病、阿茲海默癥甚至一些精神疾病如重度抑郁等，其機(jī)理逐漸被揭示出來(lái)，屬于神經(jīng)系統(tǒng)或腦部功能區(qū)域神經(jīng)元細(xì)胞的衰退所致，神經(jīng)信號(hào)的細(xì)胞級(jí)人工激勵(lì)是治愈和緩解這些癥狀的有效手段之一。

神經(jīng)信號(hào)的人工激勵(lì)要達(dá)到細(xì)胞級(jí)精度有賴(lài)于安全、高性能的微型植入式裝置。微型植入式裝置的工作原理為：將人工產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)通過(guò)特定傳輸信道傳輸?shù)侥繕?biāo)神經(jīng)組織，激發(fā)或抑制目標(biāo)神經(jīng)組織中神經(jīng)細(xì)胞的活動(dòng)。由于神經(jīng)電生理信號(hào)的電本質(zhì)，傳統(tǒng)的神經(jīng)激勵(lì)信號(hào)為電信號(hào)，傳統(tǒng)的植入式裝置由電信道和植入電極構(gòu)成。近年來(lái)，隨著基因技術(shù)的發(fā)展，在其輔助下可見(jiàn)光信號(hào)成為對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)胞級(jí)激勵(lì)的有效媒介。相比神經(jīng)電激勵(lì)，神經(jīng)光激勵(lì)有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、使用獨(dú)立信道，不受電生理環(huán)境影響。

通過(guò)微電極向組織生理環(huán)境注入激勵(lì)電流，會(huì)與激勵(lì)起的神經(jīng)電信號(hào)相互作用、干擾；而光束與神經(jīng)電信號(hào)不會(huì)相互干擾。

2、對(duì)生物有機(jī)體副作用很小。

長(zhǎng)期植入時(shí)，注入電流的并發(fā)癥與副作用不可忽視；而光束為安全的信號(hào)，不會(huì)影響生理環(huán)境。

3、配合相應(yīng)的基因手段能夠?qū)崿F(xiàn)神經(jīng)活動(dòng)的激發(fā)與抑制。

電激勵(lì)僅能實(shí)現(xiàn)神經(jīng)細(xì)胞的激發(fā)，不能實(shí)現(xiàn)神經(jīng)活動(dòng)的抑制；而借助相應(yīng)基因工程手段，光激勵(lì)能夠?qū)崿F(xiàn)神經(jīng)活動(dòng)的激發(fā)與抑制。

4、光束可以被聚焦，以提高激勵(lì)精度。

電信號(hào)會(huì)在生理環(huán)境中向各個(gè)方向均等擴(kuò)散，影響調(diào)控的精度；而光束可以被聚焦到微米級(jí)的點(diǎn)上，由于神經(jīng)細(xì)胞的尺寸約為1~10μm，因此可以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞級(jí)的精確激勵(lì)。

微型神經(jīng)植入式裝置一般來(lái)說(shuō)要滿(mǎn)足以下設(shè)計(jì)要求：

（1）高效傳輸神經(jīng)激勵(lì)信號(hào)。

（2）機(jī)械性能較好，不易損壞。

（3）植入部分的材料對(duì)人體健康無(wú)害。

（4）結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧，與所植入神經(jīng)組織的尺寸相適應(yīng)。

大多數(shù)應(yīng)用于新皮層、脊髓組織或視神經(jīng)的微型植入式裝置都需要具備二維激勵(lì)功能，以對(duì)目標(biāo)神經(jīng)組織的某個(gè)區(qū)域進(jìn)行整體激勵(lì)。目前，平面微加工工藝已經(jīng)成為設(shè)計(jì)與制備微型神經(jīng)植入式裝置的重要手段，這種工藝能夠制造出一體化的集成神經(jīng)激勵(lì)芯片，比如基于平面微加工工藝的二維神經(jīng)電激勵(lì)芯片集成了微電極陣列作為植入部分。近年來(lái)，隨著神經(jīng)光激勵(lì)技術(shù)的發(fā)展，二維神經(jīng)光激勵(lì)芯片也得到了一定發(fā)展，主要為基于光源發(fā)光面外接波導(dǎo)探針陣列的二維光激勵(lì)芯片。

基于光源發(fā)光面接合波導(dǎo)探針陣列的二維光激勵(lì)芯片為：在光源發(fā)光面上接合光波導(dǎo)陣列，以接合的光波導(dǎo)陣列作為神經(jīng)光激勵(lì)探針，接合的光波導(dǎo)陣列一般為由石英或聚合物制成，比如石英或聚合物光纖。光源以發(fā)光二極管陣列為例。

上述基于光源發(fā)光面接合波導(dǎo)探針陣列的二維光激勵(lì)芯片存在的缺陷是：

1、從光源入射到接合波導(dǎo)探針陣列的損耗較大。

光從發(fā)光二極管有源層產(chǎn)生，經(jīng)襯底入射到波導(dǎo)陣列中，根據(jù)菲涅耳公式（見(jiàn)《光學(xué)原理》1.5.2：菲涅耳公式，玻恩著，電子工業(yè)出版社，ISBN：9787121012563），光從不同種介質(zhì)分界面入射要發(fā)生損耗，損耗隨兩種介質(zhì)的折射率差增大而增大，而一般用于波導(dǎo)芯層的生物相容材料，如醫(yī)用玻璃或聚合物，其折射率為1.3~1.5，由于襯底晶體的折射率較大（如藍(lán)寶石的折射率為1.7~1.8），這類(lèi)芯片的光傳輸效率較低；本發(fā)明直接在藍(lán)寶石襯底另一個(gè)表面延伸出波導(dǎo)陣列，減小了傳輸損耗。

2、波導(dǎo)包層的尺寸限制了二維光激勵(lì)的刺激點(diǎn)密度。