決定神經(jīng)界面性能的關(guān)鍵因素之一是用于與神經(jīng)組織建立電通信的電極材料，此類(lèi)材料需要滿(mǎn)足嚴(yán)格的電氣、電化學(xué)、機(jī)械、生物和微制造兼容性要求。

近期，來(lái)自西班牙加泰羅尼亞納米科學(xué)與納米技術(shù)研究所（ICN2）等機(jī)構(gòu)的研究人員介紹了一種基于納米多孔石墨烯的薄膜技術(shù)及其形成柔性神經(jīng)界面的工程策略。該研究所開(kāi)發(fā)的技術(shù)可用于制造小型微電極（直徑 = 25?μm），同時(shí)實(shí)現(xiàn)低阻抗（～ 25?kΩ）和高電荷注入（3 ~ 5?mC/cm2）。嚙齒類(lèi)動(dòng)物體內(nèi)大腦記錄性能評(píng)估顯示出該電極具有高保真記錄（局部場(chǎng)電位下的信噪比》10?dB）性能，而用束內(nèi)植入物評(píng)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(jīng)內(nèi)軸突亞群。這項(xiàng)工作描述了一種基于石墨烯的薄膜微電極技術(shù)，并展示了其在高精度和高分辨率神經(jīng)接口方面的潛力。相關(guān)工作以“Nanoporous graphene-based thin-film microelectrodes for in vivo high-resolution neural recording and stimulation”為題發(fā)表在Nature Nanotechnology期刊上。

由于其獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，石墨烯相關(guān)材料已成為雙向神經(jīng)接口電極制造的潛在候選者。石墨烯電極可在水介質(zhì)中通過(guò)寬電位窗口提供電容性相互作用，并具有機(jī)械靈活性。更重要的是，單層石墨烯微電極已用于神經(jīng)接口應(yīng)用，但這種碳單層的有限電化學(xué)性能限制了小型化的潛力。為了提高性能，已經(jīng)對(duì)多層多孔電極進(jìn)行了探索，但事實(shí)證明，它們的開(kāi)發(fā)非常具有挑戰(zhàn)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(shù)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(shè)計(jì)提出了一種基于石墨烯的薄膜電極材料（用于神經(jīng)接口的工程石墨烯（EGNITE））和用于高空間分辨率神經(jīng)記錄和刺激的柔性微電極陣列的晶圓級(jí)制造工藝（圖1）。

圖1 用于神經(jīng)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(guān)的電流脈沖刺激穩(wěn)定性。而EGNITE雙向神經(jīng)接口的性能在嚙齒類(lèi)動(dòng)物中得到驗(yàn)證。皮層記錄研究證實(shí)了EGNITE記錄自發(fā)和誘發(fā)的局部場(chǎng)電位和多單位活動(dòng)（MUA）的能力（圖2）。而坐骨神經(jīng)內(nèi)的神經(jīng)內(nèi)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(guò)慢性皮質(zhì)上（12周）和神經(jīng)內(nèi)（8周）植入驗(yàn)證了該裝置的組織生物相容性。

圖2 體內(nèi)神經(jīng)刺激示意圖

論文鏈接： https://doi.org/10.1038/s41565-023-01570-5