氧等离子体和化学浸泡处理的薄膜聚酰亚胺层的反应加速老化浸泡测试

《Frontiers in Neuroscience》：Reactive-accelerated-aging soak testing of thin-film polyimide layers treated with an oxygen plasma and chemical soaking

　　

聚酰亚胺层之间的可靠键合对于薄膜神经接口的长期性能至关重要，然而在生理相关条件下常用粘附方法的长期耐久性仍不明确。本研究采用反应加速老化（RAA）浸泡测试，在87°C下比较基于氧等离子体和KOH/HCl浸泡的表面处理增强聚酰亚胺层间粘附的能力。研究人员以浸泡时间和条带宽度为变量进行剥离测试，以量化降解行为。氧等离子体处理样品表现出高初始粘附力（约262 mN/mm），但在RAA中迅速降解，键合强度线性下降，并根据宽度在3至6天内失效。宽度依赖性表明边缘驱动降解，研究人员据此建立了粘附损失预测模型。相比之下，KOH/HCl处理样品显示出较低的初始粘附强度（约150 mN/mm），但在测试期间降解极小，对应的键合寿命估计至少提高40倍。这些总体结果表明，基于等离子体的聚酰亚胺薄膜键合极易受到氧化降解的影响，而化学重构界面则提供了显著改善的稳定性，这可能对慢性神经植入应用有益。

**论文解读：反应加速老化浸泡测试下氧等离子体与化学浸泡处理的聚酰亚胺层间粘附耐久性研究**

**1. 研究背景及问题**

薄膜神经接口是实现神经记录与刺激的关键器件，其长期可靠性依赖于各层材料之间的稳定键合。聚酰亚胺因其优异的热稳定性、化学惰性和生物相容性，被广泛用作神经接口的基底和封装材料。然而，完全固化的热固性聚酰亚胺表面能低，导致后续聚酰亚胺层难以牢固粘附。目前常用的增强粘附方法包括氧等离子体处理和KOH/HCl化学浸泡法。氧等离子体通过引入极性官能团和增加表面粗糙度来提升键合强度，但该方法在生理相关环境下的长期耐久性尚未明确。KOH/HCl处理则通过化学转化将聚酰亚胺表面还原为聚酰胺酸前驱体，实现分子链级别的融合，理论上能形成更稳定的界面。尽管已有研究利用加热盐水浸泡测试未观察到显著影响，但近期研究发现，结合活性氧物种（ROS）的反应加速老化（RAA）浸泡测试能模拟体内白细胞分解异物产生的ROS，从而加速聚合物降解，揭示传统测试可能低估的失效模式。因此，本研究旨在系统比较氧等离子体与KOH/HCl处理在RAA条件下的粘附耐久性，为慢性神经植入应用提供可靠依据。

**2. 主要关键技术方法**

研究人员采用以下关键技术方法：
- **反应加速老化（RAA）浸泡测试**：在87°C的磷酸盐缓冲液（PBS，pH 7.4）中加入10~20 mM H₂O₂，通过蠕动泵和注射泵维持浓度，模拟体内氧化环境。
- **T型剥离测试**：使用质构分析仪以0.13 mm/s速度进行T-peel测试，测量聚酰亚胺层间剥离力。
- **扫描电子显微镜（SEM）成像**：观察断裂界面形貌。
- **预测模型建立**：基于剥离力随时间和宽度的线性变化，推导边缘驱动降解速率模型。

**3. 研究结果**

**3.1 氧等离子体处理结果**
氧等离子体处理样品在初始阶段（Day 0）表现出高粘附力，4、6、8 mm宽条带的平均剥离力分别为1.14、1.55、1.93 N，归一化后平均约262 mN/mm。随着RAA浸泡时间增加，剥离力线性下降，斜率约为-0.339 N/day，且与条带宽度无关。更宽的条带（如8 mm）存活时间更长（6.1天），而窄条带（4 mm）仅3.1天即失效。这表明降解从边缘向内部推进，侵蚀速率约为650 μm/day/侧。研究人员据此建立了预测模型：F_peel(W_strip, t) = (262 mN/mm × W_strip) - (339 mN/day × t)。

**3.2 KOH/HCl处理结果**
KOH/HCl处理样品（4 mm宽）初始剥离力较低（约540 mN，对应约150 mN/mm），但在6天RAA浸泡中，剥离力几乎无显著下降（线性拟合斜率为-9 mN/day，p=0.48），标准误大于斜率本身，表明降解不显著。与氧等离子体处理相比，KOH/HCl处理样品的粘附强度下降速率慢约39倍，预计其键合寿命在87°C RAA中超过66天，对应体内约4年（基于热加速因子估算）。

**3.3 SEM成像**
Day 0剥离测试后的SEM图像显示，氧等离子体处理样品在两层聚酰亚胺之间存在浅但清晰的间隙，而KOH/HCl处理样品无可见界面分离，表明其键合更为均匀致密。

**4. 讨论与结论**

**讨论部分**：研究人员通过宽度依赖性实验证实，氧等离子体处理后的键合失效是由RAA溶液从边缘侵蚀导致的，而非透过薄膜上下表面。建立的边缘驱动模型能有效预测剥离力衰减。KOH/HCl处理样品尽管初始粘附强度较低，但表现出极佳的抗RAA降解能力，这得益于其化学重构界面的分子链融合特性。然而，当前研究中KOH/HCl处理样品的剥离力低于预期，可能与测试方法（T-peel vs 180° peel）或底层铬层的影响有关，需进一步优化处理时间。

**结论部分**：本研究的最终目标是生产极其稳健可靠的薄膜神经接口。研究量化了RAA浸泡测试对氧等离子体和KOH/HCl处理聚酰亚胺层间粘附的影响。尽管氧等离子体是最常用的方法且能形成强键合，但该键合在RAA中迅速被侵蚀，且从边缘开始，导致现有工艺制造的神经接口长期寿命可能限于数年而非数十年。相比之下，KOH/HCl处理形成的键合对RAA高度耐受，其键合寿命预期至少是氧等离子体处理的40倍。鉴于数据变异性和有限测试时长，KOH/HCl处理甚至可能对RAA测试完全免疫。若如此，采用该方法制造的神经接口可能不会因介电层分层导致的失效模式而限制其使用寿命。未来研究需进一步探索Cr介导键合机制、优化KOH/HCl处理工艺、进行更长期RAA测试及电化学阻抗谱（EIS）研究，但本研究已为显著提升慢性器件可靠性提供了坚实基础。