[发明专利]一种植入式蓝宝石基二维神经激励芯片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种植入式蓝宝石基二维神经激励芯片及其制备方法。所述芯片经封装后可构成发光、传输与探头一体化集成的植入式二维神经光激励装置，属于集成光学，半导体制造和神经工程技术领域。

背景技术

随着对神经系统研究的深入，细胞级的神经细胞活动调制对于研究神经活动在神经网络中传输扩散的性质，建立神经网络机能模型至关重要。与此同时，一些复杂神经疾病，和对通常治疗方法有抗性的动作或情绪失常，如帕金森病、张力障碍、运动神经元病、阿兹海默症甚至一些精神疾病如重度抑郁等，其机理逐渐被揭示出来，属于神经系统或脑部功能区域神经元细胞的衰退所致，神经信号的细胞级人工激励是治愈和缓解这些症状的有效手段之一。

神经信号的人工激励要达到细胞级精度有赖于安全、高性能的微型植入式装置。微型植入式装置的工作原理为：将人工产生的激励信号通过特定传输信道传输到目标神经组织，激发或抑制目标神经组织中神经细胞的活动。由于神经电生理信号的电本质，传统的神经激励信号为电信号，传统的植入式装置由电信道和植入电极构成。近年来，随着基因技术的发展，在其辅助下可见光信号成为对神经系统进行细胞级激励的有效媒介。相比神经电激励，神经光激励有以下优点：

1、使用独立信道，不受电生理环境影响。

通过微电极向组织生理环境注入激励电流，会与激励起的神经电信号相互作用、干扰；而光束与神经电信号不会相互干扰。

2、对生物有机体副作用很小。

长期植入时，注入电流的并发症与副作用不可忽视；而光束为安全的信号，不会影响生理环境。

3、配合相应的基因手段能够实现神经活动的激发与抑制。

电激励仅能实现神经细胞的激发，不能实现神经活动的抑制；而借助相应基因工程手段，光激励能够实现神经活动的激发与抑制。

4、光束可以被聚焦，以提高激励精度。

电信号会在生理环境中向各个方向均等扩散，影响调控的精度；而光束可以被聚焦到微米级的点上，由于神经细胞的尺寸约为1~10μm，因此可以实现细胞级的精确激励。

微型神经植入式装置一般来说要满足以下设计要求：

（1）高效传输神经激励信号。

（2）机械性能较好，不易损坏。

（3）植入部分的材料对人体健康无害。

（4）结构紧凑、体积小巧，与所植入神经组织的尺寸相适应。

大多数应用于新皮层、脊髓组织或视神经的微型植入式装置都需要具备二维激励功能，以对目标神经组织的某个区域进行整体激励。目前，平面微加工工艺已经成为设计与制备微型神经植入式装置的重要手段，这种工艺能够制造出一体化的集成神经激励芯片，比如基于平面微加工工艺的二维神经电激励芯片集成了微电极阵列作为植入部分。近年来，随着神经光激励技术的发展，二维神经光激励芯片也得到了一定发展，主要为基于光源发光面外接波导探针阵列的二维光激励芯片。

基于光源发光面接合波导探针阵列的二维光激励芯片为：在光源发光面上接合光波导阵列，以接合的光波导阵列作为神经光激励探针，接合的光波导阵列一般为由石英或聚合物制成，比如石英或聚合物光纤。光源以发光二极管阵列为例。

上述基于光源发光面接合波导探针阵列的二维光激励芯片存在的缺陷是：

1、从光源入射到接合波导探针阵列的损耗较大。

光从发光二极管有源层产生，经衬底入射到波导阵列中，根据菲涅耳公式（见《光学原理》1.5.2：菲涅耳公式，玻恩著，电子工业出版社，ISBN：9787121012563），光从不同种介质分界面入射要发生损耗，损耗随两种介质的折射率差增大而增大，而一般用于波导芯层的生物相容材料，如医用玻璃或聚合物，其折射率为1.3~1.5，由于衬底晶体的折射率较大（如蓝宝石的折射率为1.7~1.8），这类芯片的光传输效率较低；本发明直接在蓝宝石衬底另一个表面延伸出波导阵列，减小了传输损耗。

2、波导包层的尺寸限制了二维光激励的刺激点密度。