聚合物基MEMS技术在生物医学上的应用研究

摘要

MEMS技术是近年来随着硅微加工技术发展起来的一种微加工技术,通过光刻等技术,可以在微米甚至纳米尺度上制备元器件。近几年来,在MEMS领域中出现了柔性MEMS和Bio-MEMS技术。柔性MEMS技术在柔性基底上加工出微米尺度的器件,这样制备的器件具有能经受冲击、能够折叠弯曲等优点;而Bio-MEMS技术利用MEMS技术制造体外分析诊断器件和体内植入器件。随着有机聚合物化学的发展,近年来人们开发出各种聚合物材料,这些聚合物材料具有各种优良的加工性能和生物相容性,在生物医学领域得到了广泛的应用。本论文主要研究在高分子聚合物聚酰亚胺柔性基底上制备生物电极阵列和环氧SU-8胶在乳腺癌细胞培养方面的应用。视网膜视觉修复是通过对盲人视网膜植入微电极阵列,利用电信号刺激视网膜神经,从而使盲人产生光幻视,修复盲人的视觉的治疗方法。在视网膜视觉修复中,生物电极阵列作为人造器件与生物神经交互作用的桥梁,其性能对生物电刺激的传输起着举足轻重的作用。由于视网膜分辨率为微米尺度,所以可以用MEMS技术来制备生物电极阵列。目前已有制备成功的二维平面生物电极阵列。随着人们对细胞培养研究的深入,人们发现三维微米或纳米微结构中培养的细胞能够显示出与二维平面上培养的细胞不同的性能。由于MEMS能够制备尺寸很小的器件,在体内植入器件制备方面具有得天独厚的优势本论文研究的一个内容是视网膜视觉修复三维生物电极阵列的研制。应用MEMS工艺,采用MEMS工艺中通用的溅射、RIE刻蚀、光刻、电铸等方法,结合聚酰亚胺的特性,我们成功的在柔性聚酰亚胺基底上制备成功了一种三维生物电极阵列。我们主要解决了聚酰亚胺与引线间结合力问题、电极生物相容性保护问题和电极的露出问题,以及柔性基底与刚性基片的分离问题。与二维平面电极不同,我们制备的三维电极阵列电极部分能够凸出基底表面,与体液良好接触。由于采用聚酰亚胺柔性基底,我们制备的生物电极阵列具有较好的柔性。阻抗测试结果表明,在频率为20Hz到10kHz之间时,在生理盐水中单个电极阻抗为22kΩ到8kΩ。我们制备的生物电极阵列具有较小的阻抗,能够减少电刺激信号在电极阵列上的损耗。适合作为研究视网膜神经信号的工具。本论文研究的另一个内容是我们通过采用MEMS制造技术,利用SU-8光刻胶在微米尺度制造了带有不同深宽比的沟槽、五角星、齿轮,与乳腺癌细胞株MCF-7细胞共同培养,采用形态学观察、MTT分析以及流式细胞仪检测这些微结构对乳腺癌细胞生长的影响,以探讨这些微结构在肿瘤治疗方面的潜在应用前景。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 前言

1.1 视觉神经修复

1.1.1 人眼睛的光学结构

1.1.2 人眼睛的生理结构

1.1.3 人眼感光结构及原理

1.1.4 人视觉传输和视觉缺陷的原因

1.1.5 目前视觉修复的几个途径

1.1.6 已经提出的视觉系统电刺激视觉修复的方案

1.1.7 视网膜视觉修复系统的组成

1.1.8 已经进行的视觉修复的生物体实验

1.2 视网膜视觉修复电极阵列

1.2.1 MEMS技术简介

1.2.2 柔性MEMS技术简介

1.2.3 目前研制成功的生物电极阵列

1.3 SU-8 微结构对MCF-7 乳腺癌细胞生长的影响

1.4 本论文研究的内容

第二章 三维生物电极阵列的制备

2.1 人体植入生物电极阵列的特点

2.2 生物电极阵列的结构设计

2.3 生物电极阵列的材料选择

2.4 生物电极阵列的制备工艺流程

第三章 生物电极阵列制备的结果与讨论

3.1 生物电极阵列制备过程中遇到的问题与解决办法

3.1.1 聚酰亚胺涂胶

3.1.2 PI与Cu导电层的结合力问题

3.1.3 导线的制备

3.1.4 Au与Cu导电层的结合力问题

3.1.5 电极的保护

3.1.6 种子层的去除问题

3.1.7 Cu导线的保护问题

3.1.8 电极的分离

3.2 我们制备生物电极阵列的性能

第四章SU-8 微结构对MCF-7 乳腺癌细胞生长的影响

4.1 LIGA技术简介

4.2 LIGA-like技术

4.2.1 UV-LIGA技术

4.2.2 DEM技术

4.2.3 准分子激光刻蚀技术

4.3 SU-8 光刻胶技术

4.3.1 SU-8 光刻胶组成

4.3.2 SU-8 光刻胶光刻机理

4.4 SU-8 双层工艺

4.5 三维微结构对细胞生长的影响

4.5.1 实验结果

4.5.2 微结构对细胞的形态和分布的影响

4.5.3 硅和玻璃基片对细胞增殖的影响

4.6 结论

第五章 结论和展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

缩略语

附录

致谢

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