高信噪比（SNR）的肌电图（EMG）记录对于识别和分析单个运动单位活动至关重要。虽然高密度电极允许更大的空间分辨率，但较小的电极面积意味着更高的阻抗和更低的信噪比。在本研究中，我们开发了一种可植入且柔性的3D微电极阵列，其阻抗低，能够进行高质量的EMG记录。我们通过三维聚酰亚胺微锥结构和PEDOT:PSS涂层增大有效表面积，制造了高密度阵列，PEDOT:PSS涂层增加了表面粗糙度。通过标准的光刻工艺实现的设计，可以有效增加有效表面积高达250%，并显著提高各种几何表面积的电极点的电气性能，其中电极阻抗最多可提高99.3%。通过将电极植入活体小鼠中记录EMG活动，获得了平均信噪比为447.3的高信噪比。


一、简介


与中枢神经系统记录相比，肌电图（EMGs）记录提供了关于肌肉运动的更精确和微妙的信息，这些信息对于特定运动功能的特征描述和行为疾病进展可能至关重要。传统上，EMGs是通过将细线直接插入肌肉中来收集的。然而，细线电极主要捕捉包含多个单位活动的整体EMG，而单个运动单位对于整体计算分析是必不可少的。为了获取单个运动单位的EMG，两个关键因素是高空间分辨率和低电极阻抗。然而，这些指标本质上是相互对立的：高空间分辨率要求更小、更密集的电极点，而电极阻抗会受到电极表面积减少的负面影响。


解决这一挑战的一种方法是在保持几何表面积（足迹）的同时增加有效表面积（ESA）。试图通过提高ESA以获得更好的电化学性能的先前技术大致可以分为两种：表面改性和3D结构制造。对于表面改性，通过电聚合或旋转铸造在电极点上涂覆多孔导电聚合物是一种方便且有效的方法，可以增加表面粗糙度，从而增加ESA。等离子体处理应用于金属表面是改变表面形态的另一种方法。制造3D电极是增加ESA的另一种方式，但先前的方法要么不能提供高密度，要么它们使用的制造工艺难以适应柔性基底。研究人员通过模具技术制造的柱状结构，或者由光阻回流形成的3D电极点，尺寸都相对较大。另外，研究人员将纳米多孔膜粘合到电镀金纳米柱上，科研人员利用电子束光刻和热氧化层减薄形成垂直柱，这些设计都是用于刚性基底上的体外测试。本文旨在结合表面改性和可扩展的3D结构制造，实现高密度的柔性、生物相容的微电极阵列（MEA），用于体内应用。


在这项工作中，3D电极点是通过使用聚酰亚胺微锥制造的，随后涂覆PEDOT:PSS以实现低阻抗。我们通过比较不同表面处理材料的2D和3D电极之间的阻抗，展示了电气性能的改善，并显示与平面金电极相比，所提出设计的阻抗提高了99.3%。还展示了从小鼠的二腹肌记录的EMG的体内数据；从测量的EMG中计算出高信噪比（SNR）为447.3，与先前报道的体内测试的信噪比（≈15）相比，提高了290%。


二、三维微电极阵列（MEA）的制造


2.1方法和材料


三维微电极阵列（MEA）的制造过程总结于图1。首先，在4英寸硅载片上旋涂并固化一层15微米厚的聚酰亚胺（PI-2611）层（图1(a)）。为了构建3D聚酰亚胺微锥，旋涂一层15微米厚的光定义聚酰亚胺（HD-8820），进行软烘烤并通过无掩模对准机的标准光刻工艺进行图案化（图1(b)）。图案化的3D微锥随后在烤箱中固化。使用O2和SF6（5:1比例）等离子体的反应离子刻蚀（RIE）工艺来粗糙化聚酰亚胺基板和锥体的表面。这进一步增加了表面积并改善了金属在聚酰亚胺上的附着力。迹线和电极是通过提升工艺进行图案化的；首先蒸发沉积钛（Ti）粘附层，然后是金（Au）。在金上还沉积了一层薄薄的牺牲Ti层，作为视觉上识别顶部聚酰亚胺层成功刻蚀的手段（图1(c)）。然后旋涂并固化一层5微米的聚酰亚胺（PI-2611）。使用6微米厚的正性光刻胶（PR）制作蚀刻掩模，并通过RIE刻蚀顶部聚酰亚胺以暴露电极和连接器位点（图1(d)）。随后使用飞秒激光将MEA切割成单个阵列（图1(e)）。然后使用各向异性导电膜（ACF）将32通道Omnetics连接器连接到每个阵列（图1(f)）。

图1.柔性三维微电极阵列的制造过程。（a）基底层聚酰亚胺涂覆，（b）光定义聚酰亚胺涂覆与图案化，（c）Ti/Au/Ti蒸发与图案化，（d）顶层聚酰亚胺涂覆与刻蚀，（e）激光切割，（f）器件释放、组装和PEDOT的电子聚合。


为了进一步改善电气性能，通过电聚合方法在金微电极上沉积了一层PEDOT:PSS层。使用10mM EDOT的水分散液加入2.0g/100mL的NaPSS作为电解质，在两电极装置中以恒电流条件下电聚合PEDOT:PSS，其中金电极阵列作为工作电极，铂网作为对/参比电极。在室温下，施加0.5 mA/cm^(2)的恒定电流密度，持续5分钟，以沉积一层PEDOT:PSS。


2.2制造结果


成功地在各种足迹尺寸（从200μm×200μm到5μm×5μm）的电极上制造了PEDOT:PSS涂覆的3D聚酰亚胺微锥。制造的MEA的光学图像显示在图2(a)中。用场发射扫描电子显微镜（SEM）检查了PEDOT:PSS覆盖的微锥的表面形态，20μm×20μm电极的示例显示在图2(b)中。通过调整光定义聚酰亚胺的曝光和显影过程，实现了3D微结构的锥形形状。添加3D微锥使得不同足迹尺寸的有效表面积（ESA）增加了150%到250%。电沉积的PEDOT:PSS均匀覆盖了3D微锥，形成了一种粗糙和多孔的涂层，以进一步增强ESA。图2(c)的横截面视图清晰地揭示了电极的不同层：由聚酰亚胺制成的基底层和微锥、薄金属迹线以及厚度约为1μm的顶部PEDOT层。

图2.光学和电子显微镜图像。（a）制造的3D MEA的光学图像。（b）带有顶部13个微锥以增加有效表面积的20μm×20μm电极垫的SEM图像。插图显示PEDOT:PSS电聚合后表面含有纳米特征和多孔性。（c）聚焦离子束（FIB）横截面的SEM图像，显示了设备的多层结构。在FIB过程中，顶部沉积了一层薄薄的钨以保护表面。