用于体内高分辨率神经记录和刺激的纳米多孔石墨烯薄膜微电极

MEMS 2024-01-17 00:02

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决定神经界面性能的关键因素之一是用于与神经组织建立电通信的电极材料，此类材料需要满足严格的电气、电化学、机械、生物和微制造兼容性要求。

近期，来自西班牙加泰罗尼亚纳米科学与纳米技术研究所（ICN2）等机构的研究人员介绍了一种基于纳米多孔石墨烯的薄膜技术及其形成柔性神经界面的工程策略。该研究所开发的技术可用于制造小型微电极（直径 = 25 µm），同时实现低阻抗（～ 25 kΩ）和高电荷注入（3 ~ 5 mC/cm²）。啮齿类动物体内大脑记录性能评估显示出该电极具有高保真记录（局部场电位下的信噪比>10 dB）性能，而用束内植入物评估的刺激性能也显示出了低电流阈值（<100 µA）和高选择性（> 0.8），能够用于激活支配胫骨前肌和骨间跖肌的大鼠坐骨神经内轴突亚群。这项工作描述了一种基于石墨烯的薄膜微电极技术，并展示了其在高精度和高分辨率神经接口方面的潜力。相关工作以“Nanoporous graphene-based thin-film microelectrodes for in vivo high-resolution neural recording and stimulation”为题发表在Nature Nanotechnology期刊上。

由于其独特的性能优势，石墨烯相关材料已成为双向神经接口电极制造的潜在候选者。石墨烯电极可在水介质中通过宽电位窗口提供电容性相互作用，并具有机械灵活性。更重要的是，单层石墨烯微电极已用于神经接口应用，但这种碳单层的有限电化学性能限制了小型化的潜力。为了提高性能，已经对多层多孔电极进行了探索，但事实证明，它们的开发非常具有挑战性。这主要是由于难以获得高孔隙率、材料层的致密堆积以及具有低离子传输电阻的高离子可及表面积，这也限制了将该技术集成到用于解剖一致界面的密集阵列中。有鉴于此，研究人员设计提出了一种基于石墨烯的薄膜电极材料（用于神经接口的工程石墨烯（EGNITE））和用于高空间分辨率神经记录和刺激的柔性微电极阵列的晶圆级制造工艺（图1）。

图1 用于神经接口的工程石墨烯（EGNITE）的制备

EGNITE微电极具有低阻抗、高电荷注入和生物相关的电流脉冲刺激稳定性。而EGNITE双向神经接口的性能在啮齿类动物中得到验证。皮层记录研究证实了EGNITE记录自发和诱发的局部场电位和多单位活动（MUA）的能力（图2）。而坐骨神经内的神经内放置使探索选择性肌肉激活的空间精确刺激成为可能。此外，通过慢性皮质上（12周）和神经内（8周）植入验证了该装置的组织生物相容性。