简论电极植入式神经电极运用基础

论文导读：
摘要：神经电刺激和记录装置正在被广泛地运用在诸多领域,如脑机接口和神经假体等。通过它们的探讨能帮助人们更加深入地理解神经体系,并且能够使有神经体系缺陷的患者恢复一定的运动或感知能力。植入式神经装置的快速进展需要有更加先进的电极制备技术来保证电极在长期植入历程中的可靠性,这是本世纪面对的一个重大的科学挑战之一。然而,目前有两个不足严重阻碍着植入式神经装置的临床运用：一个是神经电极的电化学性能；另一个是由于组织反应造成的电极性能的下降。本论文的主要工作是进展具有较好电化学性能和生物相容性的神经电极从及电极／神经界面。主要探讨内容如下：1、采取有效、可靠的电化学办法,在Na2HPO4溶液中通过不对称脉冲对铱电极进行氧化,制备了活化氧化铱电极(AIROF)。这种活化氧化铱电极具有非常高的安全电荷注入密度(Qinj,～4.1 mC／cm2),从及非常优异的机械和电化学稳定性。并且电极(d=100μm)在1 kHz时的阻抗相比活化前降低了～92%。由此,这种活化氧化铱电极非常适合在神经电刺激和记录装置中利用。然而,由于金属铱非常坚硬,并且延展性差,不宜加工成型,难从实线电极的阵列化,由此在铱基体上活化氧化铱不是一种非常理想的办法。另一种更加简单、可行的办法是电化学沉积法。这种电沉积的氧化铱电极(EIROF)具有较高的安全电荷注入密度(～2.6 mC／cm2),从及较好的机械和电化学稳定性。并且电极(d=100μm)在1 kHz时的阻抗相比于电沉积前降低了～92%。此外,电极在非常宽的pH范围(1～13)内具有较好的超能斯特响应。这种电沉积技术可从和薄膜技术从及微机电体系(MEMS)联用,有利于神经电极的微型化进展。2.进展新的电极材料和电极修饰技术对于提升植入式神经装置性能的长期稳定是十分重要的。为此,我们探讨了采取电化学办法共沉积聚吡咯和单壁碳纳米管(PPy／SWCNT)来增强电极／神经界面的办法。这种PPy／SWCNT复合电极的安全电荷注入密度达到了～7.5 mC／cm2,并且在1 kHz时具有非常低的界面阻抗从及很好的稳定性。通过大鼠肾上腺嗜铬细胞瘤(PC12细胞)的钙黄绿素染色和扫描电子显微镜(SEM)观察,发现了细胞在PPy／SWCNT复合材料上具有较好的贴附和突触分化、生长。此外,本论文还通过六周的植入实验探讨了材料在大鼠大脑的免疫组化状况。结果发现,相对于铂植入体(n=8)来说,在修饰了PPy／SWCNT后的植入体(n=11)周围100μm的范围内,组织的胶质纤维酸性蛋白(Gpal Fibrillary Acidic Protein, GFAP)表达要显著较轻,而神经元特异性核蛋白(Neuronal Nuclei, NeuN)要显著较强,且均有明显性差别(P0.05)。这说明了这种PPy/SWCNT非常适合作为长期植入的高电荷注入密度的神经电极材料。更重要的是,这种办法可从和其他的修饰技术联用,构建更加理想的电极／神经界面。3.阻碍神经装置运用的一个重大难题是长期植入后由于生物相容性不佳而引起的装置性能的衰退。本论文探讨了采取水凝胶涂层来对神经电极进行修饰,以而改进电极／神经界面的办法。我们根据需要合成了聚乙烯醇／聚丙烯酸(PVA／PAA)、聚氨酯(PU)和聚乙烯醇／聚氨酯(PVA／PU)几类水凝胶材料,通过等离子体处理技术将它们分别修饰在基于聚甲氧基硅氧烷(PDMS)的神经电极表面。比较修饰前后的氧化铱电极,电化学交流阻抗(EIS)和最大安全电荷注入密度的变化非常小。材料表面的非特异蛋白吸附量相对于PDMS来说下降了85%～92%。并且在神经生长因子(NGF)的意义下,材料上PC12细胞的生长和分化状况要显著优于PDMS。此外,经过六周的植入实验发现,相对于PDMS植入体来说,采取水凝胶修饰的植入体周围的GFAP表达更轻,NeuN表达更强,并且这一结果在植入体周围很大的范围内都具有统计学差别(P0.05)。这些都说明了采取水凝胶修饰是一种简单、有效的改进电极／神经界面的办法。关键词：神经电极论文电极/神经界面论文氧化铱论文碳纳米管论文水凝胶论文生物相容性涂层论文
本论文由www.7ctime.com,需要论文可从关系人员哦。论文导读：经假体遇到的挑战24-263.植入式神经电极26-473.1植入式神经电极和神经界面26-293.2植入式神经电极的结构和用途29-343.3植入式神经电极界面的电荷传递34-383.3.1电容性机理34-363.3.2法拉第机理36-383.4植入式神经电极遇到的不足和解决案例38-473.

4.1电极的电化学不足39-443.2电极的生物相容性不足44-47本论文的

摘要7-9
ABSTRACT9-20
第一章 绪论20-63

1.植入式神经假体的探讨作用20-21

2.植入式神经假体的进展和挑战21-26

2.1 植入式神经假体的进展21-23

2.2 植入式神经假体的结构和原理23-24

2.3 植入式神经假体遇到的挑战24-26

3.植入式神经电极26-47

3.1 植入式神经电极和神经界面26-29

3.2 植入式神经电极的结构和用途29-34

3.3 植入式神经电极界面的电荷传递34-38

3.1 电容性机理34-36

3.2 法拉第机理36-38

3.4 植入式神经电极遇到的不足和解决案例38-47

3.4.1 电极的电化学不足39-44

3.4.2 电极的生物相容性不足44-47

4.本论文的探讨目的和内容47-50
参考文献50-63
第二章 活化氧化铱电极的制备和表征63-98

1.引言63-65

2.实验部分65-74

2.1 实验主要试剂和仪器65-66

2.2 实验的前期准备66-68

2.1 铱电极的制备66

2.2 活化溶液的选择66-67

2.3 电位窗口的确定67-68

2.3 铱电极的活化68-69

2.3.1 电位对活化氧化铱的影响68

2.3.2 频率对活化氧化铱的影响68

2.3.3 时间对活化氧化铱的影响68

2.3.4 浓度对活化氧化铱的影响68

2.3.5 波形对活化氧化铱的影响68-69

2.4 循环伏安测试69

2.5 最大安全注入电荷密度69-72

2.6 电化学交流阻抗测试72

2.7 扫描电子显微镜镜72

2.8 电极的稳定性72

2.9 氧化铱电极的pH响应72-74

3 结果和讨论74-93

3.1 活化条件对电极性能的影响74-78

3.

1.1 电位对活化氧化铱的影响74

3.

1.2 频率对活化氧化铱的影响74-75

3.

1.3 时间对活化氧化铱的影响75-76

3.

1.4 浓度对活化氧化铱的影响76-77

3.

1.5 波型对活化氧化铱的影响77-78

3.2 氧化铱电极的循环伏安曲线78-80

3.3 氧化铱电极的最大安全注入电荷密度80-83

3.4 电化学交流阻抗83-88

3.5 扫描电子显微镜表征88-89

3.6 氧化铱的pH响应89-91

3.7 氧化铱电极的稳定性91-93

4.本章小结93-94

参考文献94-98
第三章 电沉积氧化铱电极的制备和表征98-134

1.引言98-100

2.实验部分100-107

2.1 实验主要试剂和仪器100-101

2.2 实验的前期准备101-103

2.1 铂电极的制备101

2.2 电沉积溶液的配制101-102

2.3 沉积氧化铱的电位窗口102-103

2.3 氧化铱的电沉积103-104

2.3.1 铂电极上的氧化铱沉积103

2.3.2 多孔铂上的氧化铱沉积103-104

2.3.3 其它基体上的氧化铱沉积104

2.4 紫外—可见吸收光谱分析104

2.5 X射线衍射分析104

2.6 X射线能谱分析104-105

2.7 循环伏安测试105

2.8 最大安全注入电荷密度105

2.9 电化学交流阻抗测试105

2.10 扫描电子显微镜镜105

2.11 电极的稳定性105-106

2.12 氧化铱电极的pH响应106-107

3.结果和讨论107-130

3.1 紫外—可见吸收光谱分析107-108

3.2 X射线衍射分析108

3.3 X射线光电子能谱分析108-109

3.4 铂电极上电沉积氧化铱的性能分析109-119

3.4.1 循环伏安曲线109-111

3.4.2 最大安全注入电荷密度111-112

3.4.3 电化学交流阻抗分析112-116

3.4.4 扫描电子显微镜116-117

3.4.5 电极的pH响应117-118

3.4.6 电极的稳定性118-119

3.5 多孔铂上电沉积氧化铱的性能分析119-125

3.5.1 循环伏安曲线119-120

3.5.2 最大安全注入电荷密度120-121

3.5.3 电化学交流阻抗121-124

3.5.4 扫描电子显微镜124-125

3.6 其它基体上电沉积的氧化铱125-130

3.6.1 循环伏安曲线125-126

3.6.2 电化学交流阻抗126-129

3.6.3 其它基体上的电沉积129-130

4.本章小结130-131
参考文献131-134
第四章 基于碳纳米管的电极的制备和表征134-1论文导读：42.11扫描电子显微镜184-1853.结果和讨论185-1963.1红外分析185-1863.2溶胀率186-1873.3本体离子电导率187-1883.4循环伏安188-1893.5电化学阻抗189-1903.6最大安全注入电荷密度190-1913.7蛋白吸附191-1923.8细胞培养192-1933.9免疫组化193-1953.10修饰材料的稳定性195-196

4.结论196-197参考文献197-201第六章基

74

1.引言134-136

2.实验部分136-146

2.1 实验主要试剂和仪器136-138

2.2 实验的前期准备138-139

2.1 铂电极的制备138

2.2 生物实验样品准备138-139

2.3 碳纳米管的官能团化139

2.3.1 碳纳米管的羧基化139

2.3.2 碳纳米管的氨基化139

2.4 碳纳米管的红外分析139

2.5 碳纳米管的电沉积139-141

2.5.1 羧基化碳纳米管的电沉积139-140

2.5.2 氨基化碳纳米管的电沉积140

2.5.3 碳纳米管和导电聚合物的共沉积140-141

2.6 循环伏安测试141-142

2.7 最大安全注入电荷密度142

2.8 电化学交流阻抗测试142

2.9 扫描电子显微镜142

2.10 电极的电化学稳定性142

2.11 细胞培养实验142-144

2.1

1.1 细胞培养142-143

2.1

1.2 扫描电子显微镜观察143

2.1

1.3 荧光染色观察143-144

2.12 免疫组化实验144-146

2.11 植入手术144

2.12 免疫组化实验144

2.13 统计学分析144-146

3. 结果和讨论146-168

3.1 羧基化碳纳米管的电沉积146-147

3.2 季铵化碳纳米管的电沉积147-154

3.

2.1 碳纳米管的季铵化147-148

3.

2.2 循环伏安测试148-149

3.

2.3 最大安全注入电荷密度149

3.

2.4 电化学交流阻抗149-152

3.

2.5 扫描电镜照片152-153

3.

2.6 电化学稳定性153-154

3.3 导电聚合物/碳纳米管复合电极154-168

3.1 电沉积历程154

3.2 循环伏安测试154-155

3.3 电化学阻抗155-159

3.4 最大安全注入电荷密度159-160

3.5 扫描电子显微镜照片160-161

3.6 稳定性161-163

3.7 PC12细胞培养163-166

3.8 免疫组化166-168

4.结论168-169

参考文献169-174
第五章 聚乙烯醇/聚丙烯酸修饰材料174-201

1.引言174-176

2.实验部分176-185

2.1 实验主要试剂和仪器176-177

2.2 实验的前期准备177-178

2.1 氧化铱电极的制备178

2.2 生物实验样品准备178

2.3 PVA/PAA的合成178-179

2.4 PVA/PAA的红外分析179

2.5 PVA/PAA的溶胀率179-180

2.6 PVA/PAA的离子电导率180

2.7 PVA/PAA的电化学性能180-181

2.7.1 循环伏安181

2.7.2 交流阻抗181

2.7.3 安全注入电荷密度181

2.8 PVA/PAA的非特异蛋白吸附181-182

2.9 细胞培养实验182-183

2.10 免疫组化实验183-184

2.10.1 植入手术183

2.10.2 免疫组化实验183

2.10.3 统计学分析183-184

2.11 扫描电子显微镜184-185

3.结果和讨论185-196

3.1 红外分析185-186

3.2 溶胀率186-187

3.3 本体离子电导率187-188

3.4 循环伏安188-189

3.5 电化学阻抗189-190

3.6 最大安全注入电荷密度190-191

3.7 蛋白吸附191-192

3.8 细胞培养192-193

3.9 免疫组化193-195

3.10 修饰材料的稳定性195-196

4.结论196-197

参考文献197-201
第六章 基于聚氨酯的水凝胶修饰材料201-229

1.引言201-203

2.实验部分203-212

2.1 实验主要试剂和仪器203-205

2.2 实验的前期准备205

2.1 氧化铱电极的制备205

2.2 生物实验样品准备205

2.3 聚合物的合成205-207

2.3.1 PU的合成205-206

2.3.2 PVA/PU的合成206-207

2.4 红外分析207

2.5 溶胀率207-208

2.6 离子电导率208

2.7 电化学性能208-209

2.7.1 循环伏安208-209

2.7.2 交流阻抗209

2.7.3 安全注入电荷密度209

2.8 非特异蛋白吸附209-210

2.9 细胞培养实验210

2.10 免疫组化实验210-212

2.10.1 植入手术210-211

2.10.2 免疫组论文导读：体离子电导率214-2153.4循环伏安215-2173.5电化学阻抗217-2183.6最大安全注入电荷密度218-2193.7蛋白吸附219-2203.8细胞培养220-2213.9免疫组化221-2254.结论225-226参考文献226-229攻读博士期间的主要科研成果229-232致谢232上一页1234
化实验211

2.10.3 统计学分析211-212

3.结果和讨论212-225

3.1 红外分析212-213

3.2 溶胀率213-214

3.3 本体离子电导率214-215

3.4 循环伏安215-217

3.5 电化学阻抗217-218

3.6 最大安全注入电荷密度218-219

3.7 蛋白吸附219-220

3.8 细胞培养220-221

3.9 免疫组化221-225

4.结论225-226

参考文献226-229
攻读博士期间的主要科研成果229-232
致谢232