针型神经微电极制作技术进展及其在脑机接口中的应用

【摘要】近年来，植入式神经微电极已成为神经科学和微电子学一个新的研究热点。本文对植入式神经微电极中最常用的针型微电极制作技术的发展、研究现状以及在脑机接口中的应用进行了较为详细地综述，并讨论了各种制作方法的特点和局限，展望了该领域进一步研究的方向。

【关键词】脑-机接口 神经工程 神经假体 微机电系统 针型微电极

神经工程系统是目前生命科学研究的热点领域，对于揭示神经系统的工作机理及探索神经疾病治疗和康复的有效手段具有重要意义。作为神经-电子接口，植入式神经微电极是神经工程系统中最关键的部件。它的功能主要表现为两种形式：一种是将神经活动转换为电信号被记录下来进行分析研究，一种是利用电信号激励或抑制神经活动以实现功能性电刺激(functional electrical stimulation,FES)^①在神经组织和探测仪器之间建立有效和谐接口是一项极具挑战性的任务。由于神经细胞体直径通常在10μm至50μm之间，因此需要加工尺度在微米级的微型电极。传统的研究方法是利用尖端金属丝或微玻璃管进行记录或刺激，但是，这类电极加工起来比较困难，空间分辨率较差，且难以实现多通道同时记录或刺激。随着微机电系统(microelectrome chanical system,MEMS)技术的发展，以微损伤的方式将针型微电极长期植入体内，构建空间分辨率高、特异性强、信噪比高且后处理简单的神经工程系统已成为该领域研究一个重要发展趋势。

植入式针型微电极的发展

尽管从全球范围内来看，应用于神经工程系统中植入式针型微电极技术研究的历史并不很长，但进展却十分迅速。目前，针型微电极的发展已经从第一代转入了第二代，并正在向第三代发展。第一代针型微电极多采用微丝电极或双极玻璃锥状电极(图1)。微丝电极通常由超细金属丝加工制作12~50μm，通过拉伸、削切、研磨或化学腐蚀等方法制作针尖。电极的绝缘通过涂漆、包覆玻璃或高分子材料来实现。玻璃锥状电极主要是通过加热毛细管拉制而成，锥状针尖直径最细可达约1μm。向毛细管空腔内灌注电解质，在尾部塞入导体电极和引线，即可进行神经刺激或记录。另外，锥状电极中放入神经营养因子，皮层神经元轴索在锥状电极中可导向生长。但是这类电极加工起来比较困难，对操作者个人技巧依赖性比较大，且难以大批量制作。第二代针型微电极多为基于硅基底的阵列式微电极(图2)，这类微电极是基于微加工工艺制作而成的。它的缺点也显而易见，制作工艺比较复杂，制作成本昂贵。目前正在开发的第三代植入式针型微电极，则希望集成MEMS技术和IC芯片技术以及生物相容性技术(图3)，将数以千计的微电极位点及其控制电路集成在纽扣大小的装置内,达到更优的性能和工作效果^⒅。

植入式针型微电极的研究现状

近年来，随着MEMS技术和微加工工艺的不断发展和成熟，基于微加工工艺的针型微电极的研究得到了迅速发展。其中代表性的针型微电极包括以下几种：

Utah式针型微电极它是由Utah大学生物工程系的Normann教授领导的研究小组研制的。图4显示了针型微电极扫描电子显微照片，在4mm×4mm的基底上集成100根针型微电极，每根微电极针轴长度为1.5mm，间距为400μm。该微电极制作工艺的特点在于利用机械切割的方式代替深刻蚀工艺，在硅基材料上制作加工了具有高深宽比的针型阵列结构。其主要工艺流程如图5所示，首先通过一种特殊的金刚刀切割设备在硅片上划出一系列正交的沟槽(图5a,b)，旋涂一层熔融的玻璃，并抽真空，使得玻璃覆盖均匀而且完全渗透到沟槽之中。然后机械抛光，直至露出硅表面(图5c)，以达到各Si电极之间彼此绝缘的目的。随后，在有玻璃的一面淀积一层铝作为导电触点，在另一面同样划出正交沟槽，深度直至露出玻璃为止(图5d)，这样就形成了硅结构彼此绝缘的柱状阵列结构。最后通过化学腐蚀、布线封装完成整个微电极的制作工艺。

Utah式针型微电极的加工工艺相对比较复杂，对设备环境要求较高，且受材料和方法的限制，电极尺寸难以做得更小，每个电极轴只在尖端有一个刺激位点，密度难以提高。再者，电极的基底和电极轴都是硅结构，如果植入一些活动范围较大的部位(如眼球，颈椎等)，容易发生折断现象。图6CMOS封装的Michigan微电极

Michigan式针型微电极Michigan式针型微电极是由Michigan大学电子工程与计算机科学系Wise教授领导的小组开发的^⒆。他们通过微加工技术先在硅基材料上制作二维电极，然后通过模具组装来形成三维针型微电极阵列。图6显示了一个4×4阵列的Michigan式针型微电极。

该电极的制作是首先通过硼的选择性扩散在硅衬底上定义针型微电极的形状和厚度，然后气相沉积SiO2和Si3N4制作绝缘层，多晶硅沉积制作连接导线结构，金属层沉积结合Liftoff工艺制作电极刺激位点，并利用反应离子刻蚀工艺得到所需针型微电极大致结构，最后通过刻蚀释放得到二维针型电极。所得二维电极每根微电极轴长度为2.5mm，微电极间距为200μm，位点的面积为100μm2，电极轴宽度为40μm，厚度15μm。完成二维针型电极，再用深反应离子刻蚀制作Si材料夹具，完成三维组装(图7)。与直接制作高深宽比的三维针型微电极结构相比，降低了工艺难度。而且该电极利用平面MEMS工艺，通过合理的布线可以在单根电极轴上制作出多个刺激点，大大增加了电极刺激点的密度。但是制作Michigan式针型微电极需要制作一个的夹具来完成三维组装，该尺度下夹具的精准度，而且三维组装和连线。

电子和光电器件的瑞典公司，该公司制作的针型微阵列电极主要是基于SOI材料，最终成品是一个二维单排结构(图8)^⒀。电极轴前端宽25μm，后端宽75μm，轴厚20μm，轴长4~7mm。相邻电极轴间距为200~400μm，电极刺激位点大小为10μm×10μm，电极轴上相邻电极刺激位点的间距为50~200μm。其制作工艺流程如下：首先在SOI衬底上沉积一层Si3N4作为绝缘层，之后沉积一层金属结合Liftoff工艺制作金属导线;然后再沉积一层Si3N4作为中间绝缘层，并通过等离子刻蚀开出通孔;电子束蒸发Ti/Ir结合Liftoff工艺形成刺激点;再沉积一层Si3N4作为保护层，最后通过深反应离子刻蚀制作电极梁结构，并通过HF刻蚀SiO2层从基底释放整个电极。单从二维结构来看，Acreo电极外形与Michigan电极比较相似，但是其制作工艺相对要简单，且电极轴更长，在深脑刺激和记录方面有更好的优势。但是这种方法制作的微电极仅仅是一个单排结构，并不是完全意义上的三维微阵列，所有刺激点都排布在一个平面内，因而在多点刺激的选择性和灵活性方面存在不足，使得这种微电极在应用方面具有较大的局限性。

其它微电极上述几种针型微电极都是基于硅材料的。目前除了硅基材料外，还有几种非硅基材料的针型微电极。下面介绍其中最典型两种非硅基针型微电极。

一种是由加洲大学洛杉矶分校Judy教授研制的^⒂，他采用电镀的方式以金属Ni代替Si制作电极轴杆体结构(图9)，电极轴杆体长度可长达22mm。其制作过程主要可以分为两部分：1)在Si表面制作电极刺激点、焊点和互连导线;2)通过层层电镀方式制作具有完美尖端结构的电极轴杆体。该工艺平面工艺再结合电镀方式制作针状杆体结构，巧妙地绕开了直接微加工三维结构的复杂步骤。而且以金属Ni，相对于增加了机械图9UCLA式针型微电极示意图强度，可有效实现深脑刺激。同样此工艺的不足也在于只适合制作二维针型电极结构，难以实现高密度集成。

另一种典型的非硅基针型微电极是由MIT的一个研究小组开发的，他们利用EDM(electricdischargemachining)工艺来构造高深宽比的三维结构^⒃。EDM是在近几年才引入微电子行业的技术，主要是通过电弧“切割”金属。MIT制作的电极所使用的材料是钛-铝-钒合金(Ti90 Al6 V4)。最后完成的电极轴长度为5mm，间距400μm。然后通过化学腐蚀、阵列组装等步骤完成整个电极的制作(图10)。EDM工艺只能用于切割导体，这样各电极轴之间的绝缘和布线互连工艺将成为一个难点。另外，与Utah式针型电极一样，每根电极轴上只在尖端有一个刺激位点，密度有限。

植入式针型微电极在脑机接口中的应用

植入式脑机接口近几年来成为了BMI研究的一个亮点，其研究成果在Nature等权威刊物多次进行了报道。早期的研究多以鼠类做实验，电极则多采用发展最为成熟的微丝和微管电极。1999年，美国Duke大学医学中心的Nicolelis研究小组通过在大白鼠脑内植入微丝电极阵列，使其能控制简单的机械臂^⒇。首次报道的这种方法证明了同时记录神经元群信号实现脑机接口的可行性。此后，人们将实验转向了大脑和四肢与人类结构相似的灵长类动物。2000年Duke大学Wessberg等^⒇通过在夜猴的运动皮层区植入微丝电极阵列来记录神经元群的信号，并利用此信号成功地实现了对远程机械臂的同步实时控制。该研究小组还证明了电极植入达两年之久，仍可保持有效的记录。最早报道直接将电极植入人脑皮层进行脑机接口研究的是美国Emory大学的Kennedy博士^②。他在1998年将锥状玻璃微管电极(含神经营养因子)分别植入两个病人的大脑皮层，通过训练，病人通过集中精力想象某种肌肉的运动，来控制计算机屏幕上光标的移动，从而实现某些选项操作。然而，由于技术、伦理等多方面的原因，目前尚无多大进展。

随着第二代针型微电极技术的成熟，近年利用该类针型微电极进行脑机接口研究的报道越来越多，尤其是发展得较为成熟的Utah式针型微电极。2002年Brown大学的Serruya等利用Utah式针型微电极阵列记录到猴子运动皮层神经元群的信号，并通过变换成功地实现了对计算机上的光标的控制而无需训练。另外，Stanford大学的Santhanam等通过在猴子脑皮质层植入含96根刺激点的Utah式针型微电极实现了对电脑键盘字键更快、更准确的选择(~15个单词/分钟)。最近，Nature上报道Hochberg等^⑺将Utah式针型电极植入一个瘫痪病人运动皮质区，成功地实现了对假肢、机械臂的基本动作的操控。这个实验的意义在于:通过长期植入针型微电极阵列于大脑皮层，记录神经元群的电信号，能实现对复杂的机械装置的实时控制，随着技术的进步，该技术的实用将给残障人士带来福音。

另外值得一提的是植入式针型微电极在反向BMI系统中的应用，2002年Nature杂志报道了一个非常有趣的实验，Talwar等^⒃在大白鼠脑内植入了3根微丝刺激电极，老鼠经过训练之后，就能在遥控器的引导下通过各种障碍物。这些老鼠能用于需要像老鼠一样操作而现代机器人无法胜任的各种搜救任务中。目前这种控制大脑的反向BMI系统尚未应用于人类。尽管这个实验目前仅仅实现了通过神经刺激训练来影响动物决定的一种控制方式，但是却告诉了人们一种新的可能性。也就是说这种植入式系统或许能够以一种新的方式刺激已有的系统(如:对视觉系统增加红外敏感性)，甚至通过将大脑的一部分与机械装置连接起来，融合出一种新的能力，从而创造一种全新的人类感觉体验。

结论

综上所述，作为神经电子接口器件的植入式针型微电极技术目前仍处于初始阶段，仍存在许多问题和难点，尤其是微电极植入后对神经系统的损伤是其中一个最重要的问题。Kennedy等^⑦在玻璃微管电极植入中所采用的在记录电极微管中充入神经营养因子的方法为我们提供了一个很好的思路，或许将现有的基于MEMS工艺的针型微电极技术与微流体技术结合，通过在针型微电极上加工微流体腔体和管道，实现植入后神经营养因子的释放，促进受伤神经的营养和再生，可以较好地缓解微电极植入后的损伤问题。尽管目前植入式针型神经微电极技术还存在许多问题，但是近年来MEMS技术的进步，以及神经科学研究的深入，极大地促进了植入式针型神经微电极技术的快速发展，微电极的设计和材料更加多样，各种性能(如电学、机械强度、生物学相容性、刺激的选择性、安全性等)更加接近实用。随着微米技术和纳米技术的进一步发展，以及系统集成技术的改进，作为神经-电子接口的植入式针型神经微电极技术必将为我们探索神经系统和脑的奥秘以及寻求治疗神经疾患的有效手段提供更为有力和灵活的工具。

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