透明電-光神經(jīng)接口技術(shù)能夠同時實現(xiàn)高空間分辨率的顯微成像以及高時間分辨率的電記錄與刺激。然而，制造具有出色電化學(xué)性能的透明、柔性和機(jī)械性能穩(wěn)定的神經(jīng)電極仍面臨挑戰(zhàn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，韓國大邱慶北科學(xué)技術(shù)院（DGIST）、首爾大學(xué)（Seoul National University）和澳大利亞新南威爾士大學(xué)（UNSW Sydney）等機(jī)構(gòu)的研究人員組成的團(tuán)隊使用六邊形金屬-聚合物配體與EDTA/PSS種子層鍵合，制備了透明（波長為570 nm時透射率達(dá)到72.7%）、機(jī)械性能穩(wěn)定（50k彎曲循環(huán)后電阻變化為0.05%）的超薄金（Au）微電極陣列（圖1a），用于微皮層腦電圖（μECoG）。這些透明的μECoG電極陣列由生物相容性金制成，具有出色的電化學(xué)性能（0.73Ω·cm2），可長期穩(wěn)定地記錄和刺激神經(jīng)。研究人員進(jìn)行了體內(nèi)腦表面波記錄，在急性和兩周的記錄中保持了低基線噪聲和高信噪比（SNR）。此外，研究人員還在激光功率密度為7.32 mW/mm2的條件下成功地進(jìn)行了無光誘導(dǎo)偽影的光遺傳調(diào)控（圖1c）。該方法在數(shù)字醫(yī)療系統(tǒng)中的可擴(kuò)展植入式神經(jīng)電極和可穿戴光電設(shè)備方面展現(xiàn)出巨大潛力。上述研究成果以“Hexagonal metal complex based mechanically robust transparent ultrathin goldμECoG for electro-optical neural interfaces”為題發(fā)表于npj Flexible Electronics期刊。

圖1應(yīng)用于電-光神經(jīng)接口的基于EDTA/PSS聚合物種子層的超薄金μECoG電極陣列示意圖

利用金與乙二胺四乙酸/聚苯乙烯磺酸鹽（EDTA/PSS）種子層之間的強(qiáng)六邊形鍵合，研究人員成功制備了超薄金電極（圖2a）。當(dāng)研究人員在未涂覆該聚合物種子層的柔性PEN襯底上沉積8 nm厚的金時，金會形成不導(dǎo)電的孤立的島狀結(jié)構(gòu)（圖2c）。然而，當(dāng)PEN襯底上預(yù)先涂覆有EDTA/PSS時，同樣厚度（8 nm）的金能夠形成具有較少晶界的連續(xù)薄膜，從而展現(xiàn)出優(yōu)異的導(dǎo)電性能（圖2d）。金薄膜的透射率會隨著其6–15 nm厚度不同而變化（圖2g）。不同厚度超薄金薄膜的電-光性能表現(xiàn)出薄片電阻與透射率之間的權(quán)衡關(guān)系（圖2h）。最終，研究人員選定8 nm為最優(yōu)厚度，其在530 nm波長下具有73%的透射率和8Ω/sq的薄片電阻。

圖2基于EDTA/PSS種子層的透明導(dǎo)電超薄金薄膜

為了將所制備的8 nm Au/(EDTA/PSS)/PEN薄膜應(yīng)用于體內(nèi)神經(jīng)記錄，研究人員通過進(jìn)行應(yīng)力分析、拉伸應(yīng)變?nèi)嵝詼y試和循環(huán)彎曲試驗驗證了超薄金薄膜的機(jī)械性能的穩(wěn)定性（圖3）。

圖3透明超薄金薄膜的機(jī)械性能的穩(wěn)定性

研究人員以預(yù)先表征的8 nm Au/(EDTA/PSS)/PEN超薄薄膜為基礎(chǔ)，制備了兩種版本的透明16通道μECoG電極陣列，用于記錄腦表面的局部場電位（LFP）。首先，基于8 nm Au/(EDTA/PSS)結(jié)構(gòu)制備了直徑為100μm的僅含金材料的超薄μECoG電極陣列。其次，為了在保持光學(xué)透明的同時進(jìn)一步提升電化學(xué)特性，研究人員在8 nm Au/(EDTA/PSS)μECoG陣列的16個微電極上采用噴墨打印技術(shù)印刷了透明的導(dǎo)電聚合物PEDOT:PSS（圖4a和4b）。

研究人員對上述兩種版本μECoG電極陣列的電化學(xué)特性進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，500 nm PEDOT:PSS/8 nm Au/(EDTA/PSS)μECoG在提供光學(xué)透明的同時仍然屬于性能最好的一組。

圖4μECoG電極陣列的電化學(xué)特性

利用體內(nèi)腦記錄信號進(jìn)行波形分析對于預(yù)測和分析動物對外部刺激和神經(jīng)系統(tǒng)疾?。ㄈ绨柎暮Ｄ习Y和帕金森氏癥）的行為反應(yīng)非常重要。為了測試使用經(jīng)過優(yōu)化的透明、柔性、超薄金μECoG電極的可行性，研究人員進(jìn)行了體內(nèi)腦表面記錄。他們將透明的500 nm PEDOT:PSS/8 nm Au/(EDTA/PSS)μECoG電極陣列放置在小鼠大腦的頂葉皮層上，然后記錄皮層表面信號，同時對μECoG電極陣列下方的腦血管進(jìn)行光學(xué)成像（圖5a）。相比之下，使用不透明的200 nm鉑μECoG電極陣列無法進(jìn)行光學(xué)成像（圖5b）。將μECoG電極陣列與商用電生理記錄系統(tǒng)集成后，研究人員比較了兩種μECoG電極陣列的阻抗，在100 Hz和1 kHz頻率下，8 nm Au/(EDTA/PSS)和500 nm PEDOT:PSS/8 nm Au/(EDTA/PSS)μECoG電極陣列的單位面積歸一化阻抗分別比200 nm鉑μECoG電極陣列低3.4倍和75.3倍（圖5c）。

圖5μECoG電極陣列體內(nèi)腦皮層記錄

接下來，研究人員通過彩色映射功率譜密度（PSD）對500 nm PEDOT:PSS/8 nm Au/(EDTA/PSS)μECoG電極陣列和200 nm鉑μECoG電極陣列記錄的信號進(jìn)行了分析。在進(jìn)行為期60秒的體內(nèi)記錄過程中，兩種μECoG電極陣列均檢測到了400至800μV的自發(fā)峰-峰值信號，并展現(xiàn)出優(yōu)異的信噪比（約43.28 dB）。

為了驗證透明μECoG電極陣列在體內(nèi)的長期穩(wěn)定性和記錄性能，研究人員使用透明和不透明的μECoG電極陣列進(jìn)行了為期2周的記錄實驗（圖5g）。結(jié)果表明，兩種μECoG電極陣列都顯示出穩(wěn)定的腦電波記錄性能，即使在2周后，均方根（RMS）噪聲水平的下降也非常小。

最后，研究人員使用透明μECoG電極陣列對轉(zhuǎn)基因小鼠進(jìn)行了光遺傳調(diào)控實驗，證實其具有無光誘導(dǎo)偽影的優(yōu)勢。

綜上所述，通過在EDTA/PSS與超薄8 nm金薄膜之間引入六邊形化學(xué)鍵合，這項研究成功制備了柔性、透明、導(dǎo)電且機(jī)械性能穩(wěn)定的超薄金μECoG電極陣列。在μECoG接口上直接噴墨打印PEDOT:PSS之后，μECoG電極的阻抗性能及其在水溶液中的長期穩(wěn)定性得到了有效提升，同時保持了光學(xué)透明。該μECoG電極成功地記錄了大腦皮層表面的神經(jīng)信號，其波形與商用的200 nm鉑μECoG電極相似，并展現(xiàn)出高信噪比和良好的長期穩(wěn)定性（兩周的記錄過程）。最后，研究人員使用轉(zhuǎn)基因小鼠進(jìn)行了光遺傳調(diào)控實驗。與不透明電極相比，該透明μECoG電極在相同的激光功率密度下實現(xiàn)了更高效的光遺傳刺激效果，且未產(chǎn)生光誘導(dǎo)偽影。通過簡便的晶圓級制造工藝，8 nm超薄金電極陣列有望成為柔性透明生物電子器件（例如植入式神經(jīng)探針）的核心技術(shù)，并可擴(kuò)展至柔性透明光電子器件。