用于體內高分辨率神經記錄和刺激的納米多孔石墨烯薄膜微電極

決定神經界面性能的關鍵因素之一是用于與神經組織建立電通信的電極材料，此類材料需要滿足嚴格的電氣、電化學、機械、生物和微制造兼容性要求。

近期，來自西班牙加泰羅尼亞納米科學與納米技術研究所（ICN2）等機構的研究人員介紹了一種基于納米多孔石墨烯的薄膜技術及其形成柔性神經界面的工程策略。該研究所開發的技術可用于制造小型微電極（直徑 = 25?μm），同時實現低阻抗（～ 25?kΩ）和高電荷注入（3 ~ 5?mC/cm2）。嚙齒類動物體內大腦記錄性能評估顯示出該電極具有高保真記錄（局部場電位下的信噪比》10?dB）性能，而用束內植入物評估的刺激性能也顯示出了低電流閾值（《100?μA）和高選擇性（》 0.8），能夠用于激活支配脛骨前肌和骨間跖肌的大鼠坐骨神經內軸突亞群。這項工作描述了一種基于石墨烯的薄膜微電極技術，并展示了其在高精度和高分辨率神經接口方面的潛力。相關工作以“Nanoporous graphene-based thin-film microelectrodes for in vivo high-resolution neural recording and stimulation”為題發表在Nature Nanotechnology期刊上。

由于其獨特的性能優勢，石墨烯相關材料已成為雙向神經接口電極制造的潛在候選者。石墨烯電極可在水介質中通過寬電位窗口提供電容性相互作用，并具有機械靈活性。更重要的是，單層石墨烯微電極已用于神經接口應用，但這種碳單層的有限電化學性能限制了小型化的潛力。為了提高性能，已經對多層多孔電極進行了探索，但事實證明，它們的開發非常具有挑戰性。這主要是由于難以獲得高孔隙率、材料層的致密堆積以及具有低離子傳輸電阻的高離子可及表面積，這也限制了將該技術集成到用于解剖一致界面的密集陣列中。有鑒于此，研究人員設計提出了一種基于石墨烯的薄膜電極材料（用于神經接口的工程石墨烯（EGNITE））和用于高空間分辨率神經記錄和刺激的柔性微電極陣列的晶圓級制造工藝（圖1）。

圖1 用于神經接口的工程石墨烯（EGNITE）的制備

EGNITE微電極具有低阻抗、高電荷注入和生物相關的電流脈沖刺激穩定性。而EGNITE雙向神經接口的性能在嚙齒類動物中得到驗證。皮層記錄研究證實了EGNITE記錄自發和誘發的局部場電位和多單位活動（MUA）的能力（圖2）。而坐骨神經內的神經內放置使探索選擇性肌肉激活的空間精確刺激成為可能。此外，通過慢性皮質上（12周）和神經內（8周）植入驗證了該裝置的組織生物相容性。