植入式柔性电极表征思路：稳定性、界面电学性能及信号传输质量

摘要：作为外部电子器件和生物世界之间的桥梁，植入式电极的功能是恢复或补充因损伤或疾病而造成的神经系统损失。传统的刚性电极与神经组织之间的结构和机械不匹配会导致长期植入过程中的炎症反应和信号退化。近年来，研究人员不断改进和创新电极的材料，制备具有高度的柔韧性和适应性，

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作为外部电子器件和生物世界之间的桥梁，植入式电极的功能是恢复或补充因损伤或疾病而造成的神经系统损失。传统的刚性电极与神经组织之间的结构和机械不匹配会导致长期植入过程中的炎症反应和信号退化。近年来，研究人员不断改进和创新电极的材料，制备具有高度的柔韧性和适应性，能够适应人体复杂的生理环境的柔性植入式电极。

植入式柔性电极的表征方法与其他电极有所不同，其表征方法也需要针对这些特点进行优化和调整。因此本期EFL为大家整理了植入式柔性电极领域的表征技术供大家参考，如有其他方面的补充，欢迎大家留言！

主要看点：

（1）评估植入柔性电极的稳定性

（2）评估电极-组织界面的电学性能

（3）评估植入电极的信号传输质量

看点1：评估植入式柔性电极的稳定性

植入式柔性电极的工作性能是表征的重要内容，这包括其对神经信号的传输的稳定性、耐久性等。

案例1：用于可逆非法拉第神经刺激的可植入多交联膜离子凝胶组件

期刊及发表时间：ACS Nano (IF 15.8) 2023-07-27

作者通过测试神经接口中的电化学窗口和电压脉冲范围评估神经接口的稳定性。通过系统比较计时电流法和计时电位法，探究神经接口电荷注入的电势和电流响应的差异。在250 μA双相电流脉冲下，Au/McMiA界面的电压响应没有观察到平台区，表明该电极未发生水电解的析氧反应，保证其在神经接口的电化学稳定性（图1h）。

参考资料：

案例2. 抗疲劳导电聚合物水凝胶涂层的机械柔性生物电子界面

期刊及发表时间：Advanced Materials (IF 27.4) 2023-06-28

循环伏安图（CV）在电极表征中实际应用的常见例子，通过相对应的峰面积来估计表面反应中涉及的电荷数。此外，CV也可用估量电极的电荷存储容量（CSC），即循环扫描期间转移的总电荷。作者观察到在10000循环充放电过程中电化学性能保持稳定，CV曲线略有变化，CSC能力有所降低（图2），但仍表明该电极在长期电界面的反复体积膨胀和收缩条件下可实现电化学稳定性。

参考资料：

案例3. 具有脆性材料的软应变不敏感生物电子学

期刊及发表时间：Science (IF 44.7) 2022-12-15

作者使用基于电化学沉积的染色方法，可视化和定量表征软应变不敏感生物电极（SIBs）可拉伸条件下的电导率稳定性。该电化学染色方法对界面薄膜的电连接进行空间映射，在应变下将导电材料沉积到测试电极上，其中只有与电源保持电连接的电极表面区域支持电沉积。SEM结果发现，相较于Au-弹性体电极相比，Au-SIB电极的裂纹碎片被完全“染色”，这表明其在大应变水平下仍与电源保持电连接，保证其在可拉伸条件下的电导率稳定性（图3）。

参考资料：

案例4. 高度集成的仿生手，具有神经控制和反馈功能

期刊及发表时间：Science Robotics (IF 25.0) 2023-10-11

随着时间的推移，监测每个电极接触的电阻抗，以评估与患者神经肌肉系统接口的稳定性（图4）。该植入电极在植入不同时间后电阻变化幅度较小，仍保持在工作范围内（袖带：8325±2754 ohm；体表：1419±775 ohm；肌内：985±733 ohm），实现该柔性电极与患者神经肌肉系统接口的稳定性。

参考资料：

看点2：评估电极-组织界面的电学性能

植入式柔性电极的材料特性也是表征的重要方面。这种柔性电极通常由导电聚合物或复合材料制成，因此需要对其电极-组织界面电学性能、电导率等特性进行详细测试。

案例5：将PEDOT:PSS聚合物涂层与金属3D纳米线电极相结合，实现神经元接口应用的高电化学性能

期刊及发表时间：Advanced Materials (IF 26.1) 2023-10-11

作者通过电化学阻抗谱（EIS）实验研究了PEDOT:PSS涂层电极对PtSi平面电极的影响。PtSi电极中PEDOT:PSS涂层的存在引起较低的平均阻抗以及相形状的变化，这意味着电极的导电性和电活性面积的增加。此外，作者探究了1kHz下的阻抗值，1kHz是通常用作参考的动作电位的频率。拟合的数据表明，PEDOT:PSS涂层电极使小型电极的电阻降低了10倍，使中型电极的电阻下降了20倍（图5）。这对于需要非常薄的PEDOT:PSS层的应用来说是一个极好且有前景的结果。

参考资料：

案例6：生物电子学的生物粘附电接口

期刊及发表时间：Nature Materials (IF 37.2) 2020-09-28

作者在生物粘性电子界面设计引入还原氧化石墨烯导电网络，由于石墨烯网络的引入，使其具有稳定的导电性和电子注入容量。另一方面，生物粘性电子界面仅在垂直平面方向上吸水溶胀，可保证植入电子设备与生物组织长期稳定粘合（图6）。作者在PBS孵育14天后，电子生物粘附界面表现出2.6 S m-1的稳定电导率，高于生物组织的电导率（0.3-0.7 S m-1)。此外，生物粘性电子界面的薄厚度和保形附着力进一步降低互连和接触电阻。因此，电子生物粘附剂界面在生理相关频率显示出低阻抗，最大限度地减少电极-组织界面处的不利影响。

参考资料：

看点3：评估植入电极的信号传输质量

信号质量是衡量电极采集到的脑电信号质量的重要指标，包括信号的信噪比、分辨率和动态范围等。高质量的信号能够更好地反映大脑的电活动，提高脑机接口系统的性能。

案例7：用于可穿戴生物电子学的皮肤上可涂漆防水生物水凝胶

期刊及发表时间：Advanced Functional Materials (IF 18.5) 2024-04-01

作者报道了一种可定制的生物水凝胶（PT生物水凝胶），该生物水凝胶可通过溶剂挥发应用于皮肤或织物上，用于液体油墨-凝胶膜转化。与传统生物电极不同，这种生物水凝胶在湿润环境中保持良好的粘附性、导电性和皮肤适应性。在心电图信号监测方面，PT生物水凝胶表现出了卓越的性能。研究人员将生物水凝胶直接涂抹在志愿者的皮肤上，成功记录到了高质量的ECG信号，其特征性的PQRST波形清晰可见。且相较于与商业导电膏，基于PT生物水凝胶的生物电极产生更高质量的ECG信号。此外，即使在运动状态下，PT生物水凝胶也能够保持ECG信号的稳定性，显示出了出色的抗运动伪迹干扰能力。

参考资料：

案例8：高弹性水凝胶作为可穿戴和可植入传感器用于记录生理和脑神经信号

期刊及发表时间：Advanced Science (IF 14.3) 2022-03-31

作者将微凝胶被用作水凝胶网络中的大型交联中心，以调节模量和抗疲劳/拉伸能力之间的权衡，制备了一种与神经组织的化学力学特性非常匹配的水凝胶材料。将水凝胶电极植入大鼠大脑海马CA1区，成功地实现了4周的LFPs原位记录，并能产生稳定的信号，且随时间的衰减较低。水凝胶电极具有优异的神经信号传输性能。当使用基于水凝胶的NGCs桥接受损坐骨神经的两个远端残端时，获得的CMAP数据与完整的坐骨神经相当，植入4周期间没有可见的信号传输丢失。