用于电生理微电极阵列的低成本多模态测试平台
2025-05-10 20:28:04 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员组成的团队提出并实现了一种具有成本效益的测试平台，旨在从微电极原型中获取一阶特性，为早期阶段的筛选和改进提供信息。通过对MEMS电极的测试，该平台显示出与商用设备相当的阻抗测量精度，并能有效记录体外大鼠皮质神经元的细胞外动作电位（EAP）。
微电极阵列（MAE）是研究细胞电生理学的重要工具之一，电极设计和材料已成为微电极阵列日益重要的性能驱动因素。目前正在进行的研究工作不断对各种电极形状、尺寸和材料进行创新。广泛的设计和制造参数空间为优化性能和功能拓展提供了丰富的机会，但由于缺乏辅助设计工作的可预测的仿真软件，这给微电极开发人员带来了挑战。微电极原型开发通常需要制造、经验评估和反复优化，这一过程成本高昂。因此，开发高效的硬件测试方案对微电极研发而言变得越来越重要，尤其对于候选设计众多的早期阶段。
据麦姆斯咨询报道，近日，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）和土耳其中东科技大学（METU）的研究人员组成的团队提出并实现了一种具有成本效益的测试平台，旨在从微电极原型中获取一阶特性，为早期阶段的筛选和改进提供信息。通过对MEMS电极的测试，该平台显示出与商用设备相当的阻抗测量精度，并能有效记录体外大鼠皮质神经元的细胞外动作电位（EAP）。与现有的硬件解决方案相比，该测试平台在成本、结构紧凑和组装简便性方面具有明显优势，能够显著降低电生理微电极阵列开发的准入门槛。上述研究成果以“A Low-Cost Multimodal Testbed for Array-Based Electrophysiological Microelectrodes”为题发表于Sensors期刊。
测试平台架构
为了满足微电极测试要求，研究人员提出并实现了一种新的测试平台。研究人员在一定程度上利用了低成本、现成的单板微控制器/片上系统的兴起，围绕STEMLab 125-10（Red Pitaya）构建了系统。当与具有相对较少电子元件的定制前端板配合使用时，该平台能够以多功能和紧凑的形式执行多路复用、放大、信号记录和生成功能（图1）。然而，与完整的微电极阵列系统不同，该平台采用了最少数量的放大器，并选择多路复用多达60个电极，从而降低了成本，同时仍然能够以良好的吞吐量测试足够数量的微电极。测试平台的基本功能可以组合成各种配置，以提供两种相关的微电极测试：电化学阻抗谱（EIS）和电生理记录（ER）。测试平台的组装成本约为500欧元，相较于先前提到的替代方案，成本降低了10到100倍。此外，由于所需的大部分电气功能和代码库均由现成的STEMLab提供，因此该测试平台也更易于组装。
图1 测试平台的架构和物理实现
受试微电极的制造、封装和接口
为了将测试平台的前端与微尺度电极连接，研究人员通过微加工制造了一批无源微电极阵列芯片，包含多种待测试的电极设计。这些芯片被封装在一个适配器印刷电路板（PCB）上，并通过PCIe插槽与前端板连接。封装后的器件可用于体外细胞培养，以进行电生理记录测试。
根据开发者希望测试的特定电极设计，研究人员所述的微电极芯片布局和封装方案可能需要进行调整，但总体上应可作为一种通用的测试载体模板，适用于将各类待测微电极与测试平台连接。该模板最多可支持60个基于阵列的电生理微电极的测试。
该微电极阵列采用标准洁净室技术进行微加工。
图2 微加工制造的微电极阵列
电化学阻抗谱测试
对于电化学阻抗谱测试，系统配置为双终端设置（图3a）。该双终端系统的阻抗由其两终端之间的电压（复数形式）与流经系统的电流（复数形式）之比得出。由于参考电极是串联连接的，且明显大于工作电极，因此其阻抗贡献可忽略不计，而整体阻抗仅归因于测试中的工作电极。根据这一假设，被测系统的阻抗被视为工作电极的阻抗。
为验证测试平台的准确性与重复性，研究人员首先比较了测试平台与一款商用阻抗分析仪（MFIA，Zurich Instruments）在相同的测试负载下获得的阻抗谱。测量是在10–10⁴ Hz的典型电生理频率范围内进行的。
图3 电化学阻抗谱测试的系统配置及测试结果
每台仪器在同一负载下重复测量15次，并提取阻抗幅值谱（图3b）。与商用设备相比，尽管测试平台测得结果的标准差更高，但两者获得的阻抗幅值的平均值非常接近。
电生理记录测试
虽然电化学阻抗谱可用于测试与记录链路其余部分解耦的微电极，但不同的生物细胞培养物或组织可能对电极材料和几何结构表现出不同的响应。细胞和微电极之间的生物相容性和粘附亲和力会影响细胞-电极耦合性能。因此，该平台被设计用于进行第二项测试，即电生理记录，其中该平台被配置为记录来自不同细胞类型和铺板方案（plating protocols）的相关信号。该测试旨在验证能否从被测微电极获得电生理信号，并产生可识别的信号或可检测的尖峰幅值。
为了验证电生理信号记录功能，研究人员使用直径为8 µm的掩膜开口制造的Pt-Black微电极，从原代大鼠皮层神经元中记录细胞外动作电位。
研究人员在体外培养（DIV）第30-31天记录了六个具有8 µm直径Pt-black电极的微电极阵列，其中三个显示了电生理活动。图4c显示了三个具有活性细胞培养物的芯片的输入参考噪声分布，显示出合理的电极间和芯片间的可变性。图4e显示了来自这三个芯片上的不同电极记录的包含细胞外动作电位的代表性电压轨迹。细胞外动作电位幅值的直方图如图4d所示。检测到的细胞外动作电位幅值验证了典型原代神经元培养物与受试电极的特定尺寸和材料选择之间的相容性和粘附亲和力。所提出的测试平台能够以信噪比超过10的水平分辨大量细胞外动作电位信号——完全符合成本更高的完整微电极阵列记录系统的典型性能要求——显示了该平台在以尖峰幅值统计作为测试指标方面的成本效益优势。
图4 电生理记录测试的系统配置及测试结果
小结
综上所述，这项研究设计并演示了一种低成本、结构紧凑且易于组装的多模态测试平台，用于电生理微电极阵列。该系统的成本仅为同类商业设备的十分之一甚至百分之一，就能在与多种类型电生理信号相关的频率范围内准确分辨不同微尺度尺寸和材料选择的电极之间的阻抗差异。该平台还被用于记录大鼠皮层神经元的细胞外动作电位，其信噪比可与成本更高的微电极阵列记录系统相当。两项测试结果表明，该测试平台有助于电生理微电极的早期开发，并能降低微电极阵列开发的入门门槛。
论文链接：https://doi.org/10.3390/s25092874
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