面向电-光神经接口的透明超薄金μECoG电极阵列
2025-04-19 10:00:09   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

透明电-光神经接口技术能够同时实现高空间分辨率的显微成像以及高时间分辨率的电记录与刺激。然而，制造具有出色电化学性能的透明、柔性和机械性能稳定的神经电极仍面临挑战。

据麦姆斯咨询报道，近日，韩国大邱庆北科学技术院（DGIST）、首尔大学（Seoul National University）和澳大利亚新南威尔士大学（UNSW Sydney）等机构的研究人员组成的团队使用六边形金属-聚合物配体与EDTA/PSS种子层键合，制备了透明（波长为570 nm时透射率达到72.7%）、机械性能稳定（50k弯曲循环后电阻变化为0.05%）的超薄金（Au）微电极阵列（图1a），用于微皮层脑电图（µECoG）。这些透明的µECoG电极阵列由生物相容性金制成，具有出色的电化学性能（0.73 Ω·cm²），可长期稳定地记录和刺激神经。研究人员进行了体内脑表面波记录，在急性和两周的记录中保持了低基线噪声和高信噪比（SNR）。此外，研究人员还在激光功率密度为7.32 mW/mm²的条件下成功地进行了无光诱导伪影的光遗传调控（图1c）。该方法在数字医疗系统中的可扩展植入式神经电极和可穿戴光电设备方面展现出巨大潜力。上述研究成果以“Hexagonal metal complex based mechanically robust transparent ultrathin gold µECoG for electro-optical neural interfaces”为题发表于npj Flexible Electronics期刊。

图1 应用于电-光神经接口的基于EDTA/PSS聚合物种子层的超薄金µECoG电极阵列示意图

利用金与乙二胺四乙酸/聚苯乙烯磺酸盐（EDTA/PSS）种子层之间的强六边形键合，研究人员成功制备了超薄金电极（图2a）。当研究人员在未涂覆该聚合物种子层的柔性PEN衬底上沉积8 nm厚的金时，金会形成不导电的孤立的岛状结构（图2c）。然而，当PEN衬底上预先涂覆有EDTA/PSS时，同样厚度（8 nm）的金能够形成具有较少晶界的连续薄膜，从而展现出优异的导电性能（图2d）。金薄膜的透射率会随着其6–15 nm厚度不同而变化（图2g）。不同厚度超薄金薄膜的电-光性能表现出薄片电阻与透射率之间的权衡关系（图2h）。最终，研究人员选定8 nm为最优厚度，其在530 nm波长下具有73%的透射率和8 Ω/sq的薄片电阻。

图2 基于EDTA/PSS种子层的透明导电超薄金薄膜

为了将所制备的8 nm Au/(EDTA/PSS)/PEN薄膜应用于体内神经记录，研究人员通过进行应力分析、拉伸应变柔性测试和循环弯曲试验验证了超薄金薄膜的机械性能的稳定性（图3）。

图3 透明超薄金薄膜的机械性能的稳定性

研究人员以预先表征的8 nm Au/(EDTA/PSS)/PEN超薄薄膜为基础，制备了两种版本的透明16通道µECoG电极阵列，用于记录脑表面的局部场电位（LFP）。首先，基于8 nm Au/(EDTA/PSS)结构制备了直径为100 µm的仅含金材料的超薄µECoG电极阵列。其次，为了在保持光学透明的同时进一步提升电化学特性，研究人员在8 nm Au/(EDTA/PSS) μECoG阵列的16个微电极上采用喷墨打印技术印刷了透明的导电聚合物PEDOT:PSS（图4a和4b）。

研究人员对上述两种版本µECoG电极阵列的电化学特性进行了表征。结果表明，500 nm PEDOT:PSS/8 nm Au/(EDTA/PSS) µECoG在提供光学透明的同时仍然属于性能最好的一组。

图4 µECoG电极阵列的电化学特性

利用体内脑记录信号进行波形分析对于预测和分析动物对外部刺激和神经系统疾病（如阿尔茨海默氏症和帕金森氏症）的行为反应非常重要。为了测试使用经过优化的透明、柔性、超薄金µECoG电极的可行性，研究人员进行了体内脑表面记录。他们将透明的500 nm PEDOT:PSS/8 nm Au/(EDTA/PSS) µECoG电极阵列放置在小鼠大脑的顶叶皮层上，然后记录皮层表面信号，同时对µECoG电极阵列下方的脑血管进行光学成像（图5a）。相比之下，使用不透明的200 nm铂µECoG电极阵列无法进行光学成像（图5b）。将µECoG电极阵列与商用电生理记录系统集成后，研究人员比较了两种µECoG电极阵列的阻抗，在100 Hz和1 kHz频率下，8 nm Au/(EDTA/PSS)和500 nm PEDOT:PSS/8 nm Au/(EDTA/PSS) µECoG电极阵列的单位面积归一化阻抗分别比200 nm铂µECoG电极阵列低3.4倍和75.3倍（图5c）。

图5 µECoG电极阵列体内脑皮层记录

接下来，研究人员通过彩色映射功率谱密度（PSD）对500 nm PEDOT:PSS/8 nm Au/(EDTA/PSS) µECoG电极阵列和200 nm铂µECoG电极阵列记录的信号进行了分析。在进行为期60秒的体内记录过程中，两种µECoG电极阵列均检测到了400至800 µV的自发峰-峰值信号，并展现出优异的信噪比（约43.28 dB）。

为了验证透明µECoG电极阵列在体内的长期稳定性和记录性能，研究人员使用透明和不透明的µECoG电极阵列进行了为期2周的记录实验（图5g）。结果表明，两种µECoG电极阵列都显示出稳定的脑电波记录性能，即使在2周后，均方根（RMS）噪声水平的下降也非常小。

最后，研究人员使用透明µECoG电极阵列对转基因小鼠进行了光遗传调控实验，证实其具有无光诱导伪影的优势。

综上所述，通过在EDTA/PSS与超薄8 nm金薄膜之间引入六边形化学键合，这项研究成功制备了柔性、透明、导电且机械性能稳定的超薄金µECoG电极阵列。在µECoG接口上直接喷墨打印PEDOT:PSS之后，µECoG电极的阻抗性能及其在水溶液中的长期稳定性得到了有效提升，同时保持了光学透明。该µECoG电极成功地记录了大脑皮层表面的神经信号，其波形与商用的200 nm铂µECoG电极相似，并展现出高信噪比和良好的长期稳定性（两周的记录过程）。最后，研究人员使用转基因小鼠进行了光遗传调控实验。与不透明电极相比，该透明µECoG电极在相同的激光功率密度下实现了更高效的光遗传刺激效果，且未产生光诱导伪影。通过简便的晶圆级制造工艺，8 nm超薄金电极阵列有望成为柔性透明生物电子器件（例如植入式神经探针）的核心技术，并可扩展至柔性透明光电子器件。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41528-025-00403-w

延伸阅读：

《脑机接口技术及市场-2025版》