《AFM》： 用于在体神经活动记录的无伪迹透明金纳米网络阵列
传统的透明金纳米网状（Gold nanomesh）电极可实现机械稳定性和较低的光电伪迹，但它需要在表面电镀PEDOT:PSS来进一步降低电化学阻抗。额外的工艺使得量产更加困难，且在样品表面形成高度均匀的镀层仍然是个挑战。此项研究的核心突破在于采用静电纺丝的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）纳米纤维作为金层的刻蚀掩膜来获得AuNN图案，Au NN由于具备较大的表面积从而拥有较低的电化学阻抗，无需进一步电镀PEDOT:PSS。Au NN ECoG神经电极的制备采用传统的微加工流程：在Si沉底上沉积Al牺牲层和旋涂无色聚酰亚胺作为底部封装层，进一步旋涂光刻胶并采用光刻定义ECoG电极位点，随后热沉积Cr/Au（Cr 10 nm /Au 200 nm）层，并采用上述方法获得Au NN图案，最后制备引线和进行顶部封装（露出电极位点），得到透明Au NN ECoG神经电极（图1 a、b）。PMMA纳米纤维的静电纺丝时间越长，Au NN的密度越大，导电性越好，透明度越低（图1d-g）。静电纺丝时间为180 s时，Au NN的薄膜电阻仅为3 Ω sq−1，却同时具有高的透射比（≈75%），比其他透明电极有着更优异性能（图1g），包括电镀PEDOT:PSS后的金纳米网状（Gold nanomesh）电极。
2、Au NN ECoG神经界面的性能
图2 Au NN ECoG神经界面的机械和电学性能
Au NN能作为可靠的ECoG神经电极，主要有三个方面的优势：出色的机械稳定性、较大的界面面积、较小的光电伪迹。与其他ECoG神经电极相比，Au NN电极在多次弯曲循环后展现出了出色的电性能稳定性（图2b、c）。在失效机制方面，Au NN纳米结构能够在弯曲机械应力中捕获微小的裂纹和阻止裂纹沿晶界传播，在30000次弯曲循环后仅产生十分微小的电阻和电化学阻抗变化。随着静电纺丝的时间增加，Au NN在1 kHz下的电化学阻抗降低（图2d）。综合考量透射比和归一化阻抗，Au NN比其他ECoG电极有着更出色的性能（图2e）。Au NN微电极的低阻抗是因为网状纳米结构增加了金属与电解液之间的接触面积。当静电纺丝时间为180 s时，Au NN的表面积达到3223 μm2，大于Au薄膜表面积（2500 μm2）。Au NN的高透射比使其具有较小的光电伪迹（图2f、g）。对于光遗传学常用的473 nm波长的蓝光，即使在较高水平光强度（5 mW），仅观察到 < 100 μV的光电伪迹。
图3 Au NN微电极的体内神经信号记录和机械稳定性
研究人员将Au NN ECoG神经电极阵列植入野生型小鼠大脑皮层表面（图3 a、b），电极能够以高信噪比清晰记录到神经活动（图3 c）。为了说明记录到的信号不是噪声，而是由神经活动引起，向小鼠体内注射丁内酯来诱发小鼠意识丧失性癫痫，7 min后癫痫发作，电极记录到的信号强度显著增加（补充材料内）。此外，Au NN电极在经历100次弯曲循环后再进行体内记录，依然保持高的SNR，说明电极具备良好的机械稳定性（图3 d、e）。
4、在体光刺激时ECoG电极的神经信号记录
图4 光遗传小鼠经历光刺激时的无伪迹在体神经信号记录
为了说明Au NN电极可记录到光照诱发的神经信号，且光照不会产生光电伪迹，研究人员在野生型小鼠和转基因小鼠（已表达光敏蛋白）大脑皮层分别植入Au薄膜电极和Au NN电极（图4 a）。蓝光照射野生型小鼠大脑时，Au薄膜电极产生较大光电伪迹，而Au NN电极不产生任何信号（图4 b）。蓝光照射转基因小鼠时，Au薄膜电极的光电伪迹依然存在，而Au NN电极能记录到神经活动变化（图4 c），说明光照不会在Au NN电极产生光电伪迹，且其能以高信噪比记录到光照诱发的神经活动。随后在转基因小鼠大脑皮层ECoG电极之一上方施加光照，Au薄膜电极由于不透光，神经元无法接受光照，除了少许光电伪迹外无法记录任何信号，而透明的Au NN电极不仅能记录光照诱发的神经活动，还能记录神经活动在不同电极位点之间的传播（图4 f）。
5、Au NN ECoG神经电极用于在体无光电伪迹皮层活动绘制（Mapping）
此项工作中，研究人员采用静电纺丝高分子作为掩膜层制作了具有纳米结构的透明Au NN ECoG微电极阵列。该电极具备较高透明度、低的电化学阻抗、出色的机械稳定性且无光电伪迹。在体动物实验中，此电极阵列不仅能精准、稳定地记录光诱发的神经活动，还能将不同大脑区域间的神经活动传播可视化，助力对复杂神经动力学的准确解读。此研究拓宽了透明纳米网络电极的应用范围，为涉及“光刺激-电记录”范式的生物医学应用和基础神经科学研究提供有力工具。
名称：材料科学前沿
ID：MaterialFrontiers
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