薄膜聚合物微电极阵列，顾名思义，是一种由薄膜聚合物材料制成的微电极系统。这些微电极通常以二维或三维阵列的形式排列，能够在微观尺度上记录或刺激生物组织的电活动。其基本原理在于利用聚合物的优良电学性能和生物相容性，将电极与生物组织有效界面结合，实现电信号的传输和转换。下面介绍薄膜聚合物微电极阵列串扰研究结果与讨论。


1.双孔设置


为了研究聚合物MEA上电极的串扰，我们以SU8封装为模型系统，在Kapton基板上制作了两个相邻的微电极。聚（3,4-亚乙二氧基噻吩）聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）被电沉积在金电极位点上，以将位点阻抗降低到实用神经电极的相关值。两个模型电极的互连线长度不同，以便只将输入信号隔离到其中一个电极。然后将两个电极放入定制的测量平台，测量串扰（图1a、b）。测量平台由两个聚碳酸酯井组成，井的顶部装有O形环，以防止在含有液体溶液时发生泄漏。ESM中的图S1显示了测量装置的光学图像。虽然硅探针和电路建模产生的串扰在之前的研究中已被广泛报道，但在测量过程中，往往需要在受害沟道电极封装或接地的情况下制造测试设备，这样就会漏计电极部位阻抗产生的耦合。但事实上，受害电极在真实的体内环境中也是起作用的，没有接地或封装。所报告的串扰值要么是在空气环境中，要么是在生理盐水中，没有关于受害者电极接地的统一标准。本研究中定制的双孔平台可在真正隔离受害者通道与信号输入的情况下测量串扰，并可单独精确控制其接地条件。具体来说，如图1a所示，较短迹线（受害者迹线）的电极位于井1中，较长迹线（攻击者迹线）的电极位于井2中。在本研究中，痕量重叠的长度固定为14毫米，而两个井的直径相同，均为14.5毫米，以包含井2中的主要痕量重叠。在整个测量过程中，井2外部的微量重叠长度不超过1毫米，以确保测量结果的准确性。测试信号被输入井2，同时两个电极的接触垫被连接到数据采集系统（DAQ）的不同通道。由于只有攻击电极的位置在井2内，因此受害者电极的输出不包括输入信号，而只包括攻击电极的串扰。两个电极迹线的重叠部分主要位于1号井内，其环境可通过不同的接地进行控制。两个微电极的场地面积均为6400μm2（80×80μm2），同时改变两个电极迹线之间的间隙和SU8层的厚度，以研究它们的影响。涂覆PEDOT.PSS后，电极的阻抗约为10 kΩ：PSS涂层后，电极的阻抗约为10 kΩ。因此，在受控环境下，从与受害者迹线相连的焊盘上获取的数据会产生串扰信号（图1c）。使用电信号表征高密度多电极阵列的串扰效应具有挑战性，因为电极间距通常太小，无法将输入隔离到单个通道。因此，使用2孔测量平台的简单2跟踪系统来确定串扰效应，将有助于预测实际器件的串扰并指导器件设计。2孔平台还可进行定制，以测试不同形状的器件，如具有弯曲或多交叉互连的器件。

图1.在潮湿条件下使用双孔设置对聚合物MEA进行串扰测量。(a)湿法串扰测量装置示意图。(b)用于串扰测量的电极配置。(c)与输入信号（黑色）相比，在不同环境下测量到的串扰波形。


在本研究中，我们分别研究了干燥环境、浮湿环境和带分流的潮湿环境下的串扰效应，其中干燥环境表示井1中的介质为空气，而浮湿环境表示井1中的PBS溶液浮在地面上。如果井1中的PBS溶液通过一定的电阻（Zsh）与地面相连，我们将其命名为带分流条件的湿环境。这三种不同的环境涵盖了微电极在从台架测试到体内设置的信号记录过程中可能经历的所有接地情况。因此，测量来自这三种环境的串扰对于从设备中获得全面的串扰信息非常重要。


2.等效电路


为了了解双井测量的串扰情况，我们对1号井的三种不同环境进行了等效电路分析。等效电路元素包括封装层内两个电极迹线之间的固有耦合阻抗(Zdry)、电极迹线通过封装层到湿介质的阻抗(Zwet)、电极位置阻抗(Zs)、放大器输入阻抗(Zin)和分流阻抗(Zsh)。溶液电阻（Zsol）也包括在内，但在电路建模中可忽略不计。如图2a和2b所示，三种环境的等效电路因电气设置不同而不同。在这里，串扰的定义是受害者轨迹输出信号振幅（Vo2）的均方根除以攻击者轨迹输入信号振幅（Vi1）的均方根。图2c总结了等效电路中用于计算串扰的简化方程。这里的假设包括与Zwet和Zin相比小得多的电极部位阻抗(Zs)。有趣的是，在井1中两个电极及其互连器件之间的耦合阻抗(Zc)下，所有三种环境的方程都可以统一，如下所示。

图2.不同测量条件下的串扰电路模型。(a)双电极串扰测量电路和组件示意图。Zdry：空气环境中两个电极之间的耦合阻抗。Zwet：通过封装实现的导线与湿介质之间的耦合阻抗。Zsh：单个电极到地之间的分流电阻。Zsol：湿介质的溶液电阻。Zin：数据采集系统的输入阻抗。Zs：微电极的现场阻抗。(b)串扰测量装置的等效电路。(c)在不同条件下计算串扰的简化方程表。Zc：两个电极之间的总耦合阻抗。


值得注意的是，这里的电路建模也适用于其他MEA，如传统的硅探头。与之前工作中的电路建模相比，这里我们首次考虑了受害电极分流路径及其在不同接地条件下的变化，以研究串扰效应。虽然之前的一些研究对受害者通道接地的记录路径进行了建模，并推导出了硅探针的简化串扰方程，但如果存在不可忽略的分流阻抗（Zsh），电路建模和串扰值将会有很大不同，而这很可能是体内的情况。因此，我们建议采用湿法分流条件下的电路建模作为表征一般微电极阵列体内串扰的标准，因为所有必要的电路元件在真实的体内环境中都得到了考虑和妥善安置。在本研究中，我们还通过改变容纳受害电极的1号井的不同接地条件和分流电阻，对这种受害电极分流并入串扰模型进行了实验验证，具体分析如下。


3.串扰分析


为了量化聚合物MEA中的串扰并了解其物理原理，我们比较了从双孔装置中测量到的串扰和从等效电路中模拟到的串扰。在干燥（1号井中的空气）和潮湿（1号井中的PBS）环境下，将具有较长互连线的电极（攻击者迹线）连接到工作电极，而将具有较短互连线的电极（受害者迹线）连接到反电极，以测量总耦合阻抗(Zc)。在Intan记录系统中测量到的输入阻抗Zin始终为13 MΩ，我们利用该系统作为数据采集系统来测量信号。如果没有特别说明，阻抗总是以1 kHz的频率测量。1 kHz的阻抗已被广泛用于表征神经电极。测量系统中添加了Zsh，使用的直流电阻从47 kΩ到2 MΩ，涵盖了体内微电极对地分流阻抗的广泛范围。对于所有三种环境，测量和计算的串扰在1 Hz至5000 Hz的宽频带内显示出高度的一致性。虽然干燥和潮湿环境下的串音趋势可能并不明显，但当系统中包含分流阻抗时，串音的频率依赖性可以清晰地观察到（图3a、b）。串音随着频率和分流阻抗的增加而增加，这表明串音效应的威胁随着高频段信号记录和较差的接地而增加。

图3.串扰结果与测量条件和器件参数的关系。(a)在干式、浮动湿式和湿式/分流条件下测量和计算的串扰频谱。实线：测量到的串音；虚线：使用测量到的耦合阻抗（Zdry、Zc）计算出的串音。(b)不同分流电阻下的测量和计算串音。实线：测量到的串扰；虚线：利用测量到的耦合阻抗(Zdry,Zc)计算出的串扰。(c)耦合阻抗Zdry和Zc的频谱。虚线：拟合曲线，拟合方程显示在面板中。电极迹线宽度：100微米，迹线重叠长度：14毫米。


4.耦合阻抗模拟和串扰预测


目前，柔性MEA的制造采用了高比例外形尺寸、超薄聚合物层和大尺寸特征，以获得更好的组织机械顺应性和更高的电极密度。虽然电极的尺寸和间距与神经元大小相当（通常超过10μm）足以实现单个单元记录，但要实现高密度和大吞吐量的MEA，必须将电极互连扩展到亚微米级。先进的聚合物MEA具有高密度和灵活性，其电极互连和间距从0.2微米到2微米不等，基底和封装层的聚合物厚度从0.8微米到2微米不等。与用于保护硅基MEA的硅、硅氧化物和氮化物相比，聚合物MEA与聚合物基底和封装层的绝缘能力有限。聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚对二甲苯C等聚合物在长期研究中也会导致绝缘性能下降。因此，与硅基器件相比，聚合物MEA在放大和微型化过程中面临着更严重的串扰威胁。

图4.耦合阻抗模拟和串扰预测。(a)在COMSOL中建立的仿真模型与静电位图。(b)在不同条件下，模拟耦合阻抗与两个电极迹线之间间隙的函数关系，串扰模型的推导精度与测量值进行比较。左轴：模拟耦合阻抗；右轴：串扰模型精度。(c)在不同条件下，模拟耦合阻抗是封装层（SU8）厚度的函数，推导出的串扰模型精度与测量值进行了比较。左轴：模拟耦合阻抗；右轴：串扰模型精度。(d)最新硅探头报告的串扰值与使用我们的模型模拟的串扰值的比较。黑星表示模拟值。(e)FEA得出的串扰与纳米级器件中的痕量间隙的函数关系。蓝色区域：分流电阻为0.5至10 MΩ时的串扰。(f)FEA导出的串扰与纳米级器件封装层(SU8)厚度的函数关系。蓝色区域：分流电阻为0.5至10 MΩ的串扰。(g)FEA得出的串扰与纳米级器件中金痕量宽度的函数关系。(h)有限元分析得出的串扰与纳米级器件中金痕量厚度的函数关系。(i)FEA得出的串扰与纳米级器件中基底厚度的函数关系。蓝色区域：分流电阻为0.5至10 MΩ的串扰。


为了进一步验证我们对纳米尺度串扰预测的准确性，我们还从最先进的硅基MEA中提取了报告的串扰值，并使用它们的器件参数和本文开发的模型进行了串扰仿真（图4d）。模拟串扰结果与报告值相当，但有些结果存在一定差异。通过了解报告器件的更多具体信息，可以进一步提高模拟的准确性。此外，在仿真模型中，硅探针的器件结构通常被简化。器件参数、结构甚至采用的材料特性的变化肯定会造成模拟结果的差异。


研究结论


在这项工作中，我们开发了一种新颖的双孔三环境平台，并在真正隔离受害电极的情况下对聚合物MEA中的串扰进行了整体表征。等效电路建模揭示了来自不同电路元件的串扰效应，并生成了一个统一方程，用于计算聚合物MEA在不同电极接地条件（即干式、浮动湿式和带分流器的湿式）下的串扰。对两个相邻电极迹线的串扰进行系统研究后发现，在所有不同环境下，串扰值都与建模结果十分吻合，从而验证了我们的方法。此外，我们还模拟了纳米级聚合物MEA的耦合阻抗并预测了串扰，这为设计串扰最小的薄膜聚合物MEA提供了指导。在此，我们建议将这种基于耦合阻抗的湿分流环境串扰计算方法作为表征微电极阵列体内串扰的标准。我们相信，这项工作中展示的串扰测量和表征适用于所有基于聚合物的MEA，我们的结论也可扩展到这些设备。未来的工作将包括不同材料的串扰依赖性研究、各种聚合物MEA的长期串扰表征，以及减少聚合物MEA串扰效应的器件设计。我们相信，本文的研究不仅规范了一般MEA的串扰评估，还为设计专门用于高质量神经接口的聚合物MEA提供了一般指导原则。