摘 要：隨著納米技術、微系統(tǒng)及機械加工技術、微電子技術的發(fā)展，人們開始將MEMS技術引入到神經工程領域，通過微加工工藝制作尺寸與神經細胞相當的微電極，其具有體積小、質量輕、功耗低、可批量生產和可集成化等優(yōu)點，現已在心臟起搏、疼痛抑制、運動、聽覺和視覺功能修復等方面得到廣泛應用。文章從技術角度詳細介紹了神經微電極的總體發(fā)展概況、專利技術的發(fā)展態(tài)勢及重點申請人和重點專利技術，以達到幫助審查員把握技術實質、提高檢索效率、提升審查質量的目的。

關鍵詞：神經微電極；MEMS技術；專利

1 神經微電極技術發(fā)展歷程

微電極陣列發(fā)展始于60多年以前，1952年，Hinke研制成功以玻璃為活性材料的鉀離子選擇性微電極。1980年Pine[1]等人首次報道從分離培養(yǎng)的神經元上記錄到神經信號。該研究同時呈現了細胞內和細胞外神經元活動的記錄，從而證明了微電極陣列可用于神經信號的記錄，是該領域里程碑性的工作。從此，世界各地研究團隊開始著手設計不同類型的微電極陣列，并將之應用到不同類型的神經元電活動研究。

得益于微電極的發(fā)展，神經科學以及相關的工程研究已成為生命科學的熱點領域，特別是腦-機接口和神經假體等。在腦-機接口的研究中，美國Duke大學的Nicolelis[2]研究小組通過在大白鼠腦內植入微絲電極陣列，使其能控制簡單的機械臂。Hochberg[3]等將電極植入一個癱瘓病人運動皮質區(qū)，成功地實現了對假肢、機械臂的基本動作的操控。在神經假體中，一個成功應用的神經假體裝置使人工耳蝸[4]，通過植入體內的人工耳蝸，將外界聲音信號編碼化為電信號，通過點擊刺激耳蝸神經細胞，能夠部分地修復聽覺。

隨著微電子技術和微加工能力的進步[5-9]，人們開始將MEMS技術引入到神經工程領域以克服該領域中電極密度小，空間分辨率差，難以實現多通道同時記錄或刺激，制作困難等障礙，通過微加工工藝可以很容易制作尺寸與神經細胞相當的微電極，從而可以使電極與單個或少數的神經細胞作用，以獲得更可靠的記錄結果和更有效的刺激結果。

2 神經微電極專利技術分析

2.1 全球神經微電極專利技術的發(fā)展

日本松下公司（MATU）于1977年7月21日提出了微電極陣列的申請，將MEMS光刻及選擇刻蝕技術應用于電極的制備中，得到微細電極。MEMS工藝的發(fā)展奠定了微電極技術發(fā)展的基礎，并將電極等電學元件趨于小型化。此后，微電極的形式越來越多，其應用也越來越廣，由于其表面極小，具有許多常規(guī)電極所沒有的獨特優(yōu)點，后來被應用于電生理等方面。

美國麻省理工大學（MASI）于1979年11月5日，發(fā)展了用于監(jiān)測大腦和肌肉潛能的多電極組件，該微電極包括多個形成在金屬基材表面的線性陣列傳感元件。上述的多電極組件可有效地降低對大腦的損傷，可以對神經組織的刺激響應進行多點感測。

隨后，日本科學技術研究院（AGEN）于1981年4月10日提出了一種針形陣列神經微電極，由覆蓋由鐵磁性金屬玻璃管組成，一端針尖狀，該微電極用于生物體內，檢測神經系統(tǒng)的功能。同期，前蘇聯(lián)莫斯科醫(yī)學研究所（MOME-R）于1985年11月28日提出了一種多通道玻璃微電極，其增加了固定，可應用于跳動心臟的生物細胞，并具較好的穩(wěn)定性，同樣為一種針形微電極。

上述十幾年，是神經微電極的起步階段，申請人主要集中在美國和日本，技術發(fā)展主要依賴于各大科研院所的研究。而三維針形微電極陣列因其具有高密度、有序性等獨特的優(yōu)勢，進而受到了越來越多的關注?；谏鲜鰞?yōu)點，對于微電極的申請量也逐年穩(wěn)固增加，微電極相關技術也逐漸成熟。

隨著材料科學的進步，基底材料的選擇成為了人們關注的焦點，是微電極技術發(fā)展的關鍵。微電極陣列在其發(fā)展初期階段多以硅材料或玻璃剛性材料為基底，但由于硅材料的脆性和剛性，當被植入人體運動時，容易導致組織的機械損傷或由于電極移位而失去功能，使其應用受到限制。因此，越來越多的研究者開始采用聚合物作為基底材料制作柔性微電極。

在聚合物柔性基底材料得到了極大關注后，人們發(fā)現聚合物中parylene不僅具有良好的密封性能和化學性能，還能抵御各種腐蝕性氣體的侵害，而且具有優(yōu)良的機械強度和生物相容性和穩(wěn)定性。密歇根大學于2006年6月14日提出了一個應用于診斷系統(tǒng)的微電極，該微電極采用了parylene材料作為電極軸，上述系統(tǒng)還具有將流體輸送至神經組織的通道，具備了輸送藥物和電記錄等多重功能，提高了器件的集成化。

由此，神經微電極無論是從制備技術，形成材料或者功能形態(tài)上來講，都隨著MEMS技術以及材料科學的發(fā)展，不斷進步，制備工藝越來越簡單，形成材料從最初的硅基剛性材料到生物相容性更好的柔性材料，神經微電極器件對神經組織的損傷更小，功能更集成化。

2.2 重要申請人研發(fā)重點分析

神經微電極作為一種基于MEMS的新興醫(yī)學研究技術，在MEMS技術飛速發(fā)展的今天不斷提高，上海交通大學作為該領域的領軍科研院校，從2007年開始至今，相繼申請了38項專利，擁有神經微電極方面的關鍵技術，因此，文章以上海交通大學為重要申請人，對其專利申請進行研究。

上海交通大學申請的內容主要涉及有制作神經微電極的方法及其作為主要元件構成的視覺假體裝置，生物傳感器芯片，面向面癱康復的醫(yī)用器械，此外，還包括面向電生理應用的微電極的改進技術等。其所要求保護的范圍主要涉及上述微電極的制備過程及微電極結構的組成和采用的材料。下面將對上海交通大學有關神經微電極的申請進行分析：

基于應用目的的不同，其申請所涉及的微電極的類型也是多種多樣。其中針對平面陣列微電極的有申請“一種人造視網膜神經柔性陣列微電極芯片”（CN101006953A），其應用了微電極領域的關鍵技術-基于柔性基底，選用Parlene材料，最大限度減少對神經組織在電信號刺激過程中引起的熱損傷。此外，還包括申請“一種間距可調整的微電極陣列”（CN102556932A），該電極通過小圓弧緩沖結構，根據實際情況需要調整電極點的間距，克服傳統(tǒng)微電極在面對不同需求時，更換微電極陣列的弊端。

針對三維微電極（包括凸點微電極及針形微電極等），其中凸點微電極的有申請“柔性視網膜凸點微電極芯片及其制作方法”（CN101380257A）、“用光刻膠熱熔法制備球形凸起生物微電極陣列的方法”（CN101149559A），上述專利的微電極刺激位點凸起，增大了刺激微電與神經組織之間的距離，降低了電刺激的效果，解決了以往基于平面工藝，無法實現電極位點與神經間良好的接觸的技術問題。

針對箍形微電極有申請“一種基于自應力彎曲的環(huán)狀卡夫微電極的制備方法”（CN103736202A），其利用電極材料自身的應力來實現環(huán)狀彎曲，制備超薄彎曲的環(huán)狀卡夫微電極，并能夠適應多種不同直徑的應用場合。

從上海交通大學申請的專利來看，其主要涉及兩大類，一類是神經微電極及其作為主要元件構成的裝置或感測元件，另一類是神經微電極的制備方法，而其絕大部分專利在保護產品的同時也要求保護其制備方法，上述二者均有涉及。其申請大多是國內申請。

上海交通大學關于神經微電極的技術從2007年開始進行專利申請，比其他外國的研究機構進行申請的時間晚了許多，說明在我國該項技術是近些年發(fā)展起的，起步較晚，但該項技術發(fā)展迅速，十分活躍，申請量也穩(wěn)固增長。

通過對國內外專利申請的分析，不難發(fā)現微電極涉及的應用領域及用途很廣，所以在檢索的時候，除了檢索其結構和制備方法所涉及的分類號B81C+（專門適用于制造或處理微觀結構的裝置或系統(tǒng)的方法或設備），B81B+（微觀結構的裝置或系統(tǒng)，例如微觀機械裝置），還應注意對其在應用及功能方面的分類號進行擴展，如A61N1/05（醫(yī)學或獸醫(yī)學；衛(wèi)生學元件；電極；植入或插入軀體內用的，例如心臟電極），A61B5/04（醫(yī)學或獸醫(yī)學；衛(wèi)生學；診斷；用于診斷目的的測量；測量人體或人體各部分的生物電信號）以及其下位點組A61B5/0478（腦電圖術；專門適用于腦電圖術的電極），還有G部有關電測量的分類號G01N27/30等。

參考文獻

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