神经植入物中非气密性封装陶瓷印制电路板作为桥接元件的可靠性研究

《Frontiers in Neuroscience》：On the reliability of non-hermetically encapsulated ceramic printed circuit boards as bridging elements in neural implants

　　

引言：坚固且生物相容的陶瓷电气互连元件对于桥接宏观尺度组件（如螺旋缠绕导线和连接器）与神经接口中的薄膜聚酰亚胺电极之间的间隙至关重要。虽然丝网印刷厚膜结构已被应用数十年，但仍需通过薄膜技术拓宽设计空间并提高可靠性。本研究评估了各种表面配置，以确定机械附着力、电绝缘性和功能寿命的最佳组合。方法：所有样品均在纯度为96%的氧化铝（Al2O3）基板上制备。通过拉伸剪切试验评估机械稳定性，比较薄膜铂（Pt）与不同附着力促进剂（SixNy、SiO2）、激光图案化Pt薄膜以及裸Pt薄膜与参考Al2O3基板。通过执行电化学阻抗谱和直流电阻测量以进行降解监测，从而评估电绝缘性。带有PDMS封装的评估层堆栈包括裸薄膜Pt、带釉的厚膜Pt/Au、SiO2层、SixNy层以及脉冲激光沉积（PLD）Al2O3层。所有样品均在60°C（相对于37°C的加速因子约为4.92）的磷酸盐缓冲液中进行加速老化。结果：在老化期间，所有组的拉伸剪切强度均有所下降。然而，与裸溅射Pt相比，集成附着力促进剂提高了机械稳定性，其中SixNy涂层的附着力水平接近Al2O3参考样品。在电气方面，SixNy、PLD-Al2O3和激光图案化样品随着时间的推移保持了比裸Pt和SiO2上的PDMS更高的绝缘阻抗。直流电阻测量表明在保护导体免受降解方面具有良好的能力。讨论：研究结果表明，添加附着力促进剂可增强富离子环境中机械键合的寿命和电绝缘的稳定性。这些结果为选择用于慢性外周神经植入物的最佳陶瓷互连元件提供了指导，平衡了可靠性、可制造性和成本。

对于大多数人来说，执行系鞋带或开瓶子等日常活动是一个毫不费力的过程，只需极少的认知或体力消耗。然而，因创伤性损伤失去一个或多个肢体，或因中风及脊髓损伤导致瘫痪，会使患者的生活方式发生剧烈改变。除了丧失运动技能和独立性外，这些病症还会严重限制感觉系统。触觉反馈对于感知表面属性、区分物体形状和顺应性至关重要，也能确保在任何地形上迅速自信地移动。假体可以通过替代失去的肢体并恢复基本的运动功能来提供支持。随着现代医疗技术的进步，还可以通过刺激外周神经系统（PNS）的感觉神经纤维来恢复感觉能力。

为了实现这一点，神经接口（如横向束内多通道电极（TIME））充当刺激器、传感假体与PNS之间的链接。整合主动触觉和运动反馈可显著增强自然活动的性能，包括抓握和运动。微创神经接口的开发利用了成熟的微机电系统（MEMS）工艺，如旋涂和物理气相沉积（PVD），这些工艺实现了刺激位点的微型横截面和高集成密度。随着微型化进程和额外功能化的整合，此类设备的可制造性因复杂性增加而变得更具挑战性。当微尺度设备与连接器、电缆和刺激器等宏观尺度组件连接时，这一点尤为明显。一个可行的解决方案是以植入式陶瓷印制电路板（PCB）的形式实现桥接元件。在TIME植入物的具体案例中，该桥接元件最初由氧化铝基板（96% Al2O3）上的丝网印刷导电金属轨道和接触垫组成，并由医疗级硅胶封装。最近的研究已将这些轨道转向薄膜基础，这种转变不仅提高了精度，还允许快速原型制作和更快的设计调整。

在医疗器械的制造和植入过程中，生物相容性是不可妥协的要求，以确保患者安全。必须完全避免或封装潜在有害材料，使其与人体隔离。植入组件本身必须屏蔽体液，以防止腐蚀并确保长期稳定性。这可以通过结合稳定的基底和非气密性硅胶封装来实现。有研究表明，氧化铝基板和带有焊接接头的薄膜铂基导体是作为桥接元件可靠电气互连的可行解决方案。通过封装这些基板，可以实现生物相容性以及机械和电气可靠性。为了增强封装剂的附着力，可以添加不同的附着力促进剂。本研究专注于使用氧化铝和医疗级聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为基底的生物相容性陶瓷PCB的非气密性封装。为了优化界面，研究并比较了不同的材料。最后，在水溶液中进行加速热老化，以表征层随时间推移的降解行为。研究得出结论：添加附着力促进剂可增强富离子环境中机械键合的寿命和电绝缘的稳定性。该研究发表在《Frontiers in Neuroscience》上，为慢性外周神经植入物选择最佳陶瓷互连元件提供了指导，平衡了可靠性、可制造性和成本，具有重要意义。

为开展研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：通过拉伸剪切试验评估机械稳定性，比较裸溅射铂与不同附着力促进剂及激光图案化铂薄膜。样本在实验室制备于96%纯度氧化铝基板上。通过电化学阻抗谱（EIS）和直流电阻测量进行降解监测以评估电绝缘性。样本经医疗级聚二甲基硅氧烷封装后，在磷酸盐缓冲液（PBS）中于60°C下进行加速老化测试。采用线性模型与t检验进行统计分析，并通过扫描电子显微镜（SEM）进行表面形态光学分析。

3.1 Mechanical characterization
3.1.1 Overall observations
通过显微镜和扫描电子显微镜（SEM）对老化前后的样本表面形态进行光学检查。拉伸剪切试验表明，所有组的附着力在老化期间均呈线性下降。裸Al2O3表现出最高的整体附着力，Si_xN_y次之，SiO₂初始和最终值均较低，而裸Pt表现出最弱的性能。对于SiO₂样本，随着老化进行，其失效位置从测试条界面转移至SiO₂表面，表明SiO₂-PDMS界面成为最薄弱环节。

3.1.2 Statistical analysis
使用带有稳健标准误差的线性模型分析数据衰减，并采用Shapiro-Wilk检验确认残差正态分布。t检验结果显示，激光图案化表面和Si_xN_y的初始附着力与参考Al2O3无显著差异，但在老化过程中附着力下降速度显著更快。相反，SiO₂和Pt样本的初始附着力显著较低，但其随时间下降的速率与Al2O3参考组无统计学差异。

3.2 Electrical performance
3.2.1 Insulation toward surrounding media
通过EIS测量评估各样本组对周围介质的绝缘性能。结果显示，在观察的时间范围内，各组阻抗未发生显著变化。在1 kHz下提取的阻抗值和相位处于相同的浅范围内，表明所有层类型在老化3周内具有相似的绝缘能力。

3.2.2 Insulation between neighboring conductor tracks
通过更改电极设置测量相邻导体轨道间的绝缘阻抗。同样未观察到各组阻抗的显著变化。然而，SiO₂样本在老化3天后引起了明显的相移，表明其电容行为发生改变，而其他样本组的相移变化较小。

3.2.3 Encapsulated Pt meander DC-resistance
对铂蜿蜒结构进行直流电阻测量以评估封装保护导体免受盐水环境腐蚀攻击的有效性。结果显示，所有组的电阻值整体稳定。薄膜样本的直流电阻在老化期间保持相似，而厚膜样本的电阻在最初几天有所增加。由于横截面较大和材料不同，厚膜样本的绝对电阻低于薄膜样本。

在讨论部分，研究人员总结了机械性能和电学绝缘稳定性的发现。机械性能方面，所有样本在老化期间附着力均下降，这可能是由于PDMS吸收水分后溶胀引起的机械应力所致。Si_xN_y作为附着力促进剂使附着力水平接近参考Al2O3，证明了优化中间层是增强长期设备寿命的可行途径。电绝缘稳定性方面，EIS结果表明PDMS封装在所有测试表面上都提供了稳定的电绝缘屏障。SiO₂组出现的相移和阻抗下降表明，由于水分聚集或SiO₂分解，界面可能形成了微小电阻通路。直流电阻的整体稳定性表明封装成功隔离了铂导线，防止了显著的氧化降解。

研究结论部分指出，对不同层配置的机械稳定性测试证实了在薄膜铂上使用附着力促进剂的积极益处，其中Si_xN_y使附着力接近Al2O3上的参考值。在70天的加速老化测试过程中，可以观察到所有样品的附着力呈线性下降。尽管如此，不同的材料表现出不同的降解速率。根据预期的植入持续时间选择附着力促进剂时，应考虑附着力的交叉点。电绝缘和直流电阻测量进一步表明，SiO₂是最弱的附着力促进剂/绝缘层，因此，如果旨在实现封装的长期稳定性和可靠性，应避免使用它。为了进一步允许将薄膜样品与厚膜样品进行比较，必须评估有关附着力能力的更多数据。关于电绝缘性能的测量正在进行中。