极具应用潜力的ECoG电极：基于PDMS的柔性电极，可用于长期体内记录

基于柔性材料的皮层电图（ECoG）电极阵列是一种优秀的选择，特别是聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料。这种材料具有更好的保形接触植入能力，并且其物理特性接近生物组织，对组织的不良影响较小。然而，在PDMS上实现微米级的电极是一项挑战。过去的研究提出了使用对二甲苯处理过的PDMS来解决这个问题，并且在急性体内实验中取得了成功。本研究制作了基于对二甲苯处理过的PDMS的ECoG电极阵列，并首次从稳定性和可靠性方面进行了评估，通过长达8个月的时间进行了加速老化研究。实验结果表明，这种电极阵列能够记录体感诱发电位，并且在非人类灵长类动物身上进行长达3个月的慢性记录也是可行的。根据研究结果得出结论，基于PDMS的电极有很大的潜力用于开发各种生物集成电子设备，并具有长期稳健性。

脑机接口（BMI）允许大脑与外部设备直接通信，可实现双向或单向通道。其中一种常用方法是使用电极来检测电生理信号，将电极放置在神经元附近来检测周围电位的变化。电极的侵入性越大，信号中的信息越丰富，但也会增加反应，如炎症和瘢痕组织的形成。皮层电图（ECoG）是一种从皮层表面检测电生理信号的方法，与脑电图（EEG）相比具有更高的空间和时间分辨率，并且侵入性更低。ECoG在监测大脑活动方面很有前途。

ECoG电极阵列需要具备类似于体内生物组织的机械特性才能稳定使用。使用高硬度的电极基底材料可能会导致电极周围形成瘢痕组织，从而降低记录性能。因此，聚二甲基硅氧烷（PDMS）被认为是理想的基底材料选择，因为它具有柔韧性、伸展性、光学透明性和生物相容性，并且其杨氏模量明显低于其他常用的材料。虽然在PDMS上沉积金属层会产生裂纹，但通过引入对二甲苯处理的PDMS可以解决这个问题。通过对二甲苯沉积型PDMS和对二甲苯填充型PDMS的使用，可以在PDMS基底上制作出柔软、弹性好且无裂纹的电极，同时保持其柔性和可拉伸特性。

随着越来越多的人开始关注以柔软、灵活和可拉伸的PDMS作为材料的植入式设备，基于PDMS的生物电子设备在体内环境中的长期可用性变得非常重要。一些研究小组已经开始关注使用PDMS作为ECoG电极的基底材料。与其他基于PDMS的ECoG电极不同，基于对二甲苯处理过的PDMS制备的电极可以采用几乎所有的微机电系统（MEMS）工艺，如溅射沉积和平版印刷。这种电极可以在柔软而灵活的基底上进行图案化，就像在单个硅晶圆上一样。以前的研究报道了使用PDMS基电极进行心电图记录，包括急性记录和6周至3个月的记录。然而，这些研究没有定量分析与信号质量相关的设备特性随时间变化的情况。因此，关于基于对二甲苯处理过的PDMS的生物电子器件，尤其是在潮湿和离子环境中的长期稳定性和可靠性方面，仍然缺乏证实。

图1 ECOG电极加工与试验

在本研究中，我们首次系统地研究了基于 PDMS 的ECoG电极的长期稳定性和可靠性。使用加速老化条件下，监测了长达 8 个月的机械和电化学特性的变化。此外，电极的体内阻抗与体内记录性能有关。对体内阻抗进行了为期 12 周的研究。体感诱发电位（SEPs）被成功记录下来，以应对各种力量的机械刺激。

基于PDMS的ECoG电极阵列的制造

基于对二甲基处理PDMS的ECoG电极阵列的制备步骤如图1a所示。

工艺步骤：首先，使用聚（丙烯酸）（PAA）作为牺牲层，以避免在最终装置分离过程中的机械伸长。将5 w/v% PAA溶液在4英寸硅片上以2000 rpm旋转，并在热板上以95ºC的热板加热2 min，以蒸发溶液中所含的水分。将PDMS单体和固化剂以1：10的比例混合，在干燥器中脱气，直到混合物中的气泡完全消失。将混合物在600和1250 rpm下旋转，得到的PDMS厚度分别为80和150µm。然后，在85ºC的烤箱中固化1小时。对二甲苯沉积的PDMS沉积1µm厚的苯层，而通过化学气相沉积沉积400nm厚的苯层。为了生成填充对甲基的PDMS，在50 W的功率下进行反应离子蚀刻（RIE），持续10 min，从PDMS的顶表面去除400nm厚的对甲基层。制作过程的细节如图1a所示。

最后，用手术刀手动切割设备的边缘，将晶片浸泡在去离子水中过夜，将设备从晶片中取出。使用各向异性导电膜（ACF）粘合器将制作的阵列连接到定制的柔性印刷电路板（FPCB），之后可以连接到一个针插座如图1b。因此，将基于PDMS的ECoG电极阵列应用于脑表面，记录SEPs（图1c）。

相关实验：加速老化试验、拉伸试验

基于对二甲基处理PDMS的ECoG电极阵列

我们开发了基于两种对甲基处理PDMS底物的软保形ECoG电极阵列。对二甲苯沉积的PDMS和对二甲苯填充PDMS的底物均采用不同PDMS厚度的80和150µm，称为样品A-D：对二甲苯沉积80µm厚PDMS，对二甲苯沉积150µm厚PDMS，对二甲苯填充80µm厚PDMS和对二甲苯填充150µm厚PDMS。16通道ECoG电极的排列面积为2.5×3 mm2，每个电极的直径为150µm，电极中心之间的距离为600µm。

加速老化条件下的长期力学性能

图2 拉伸试验

通过拉伸试验，研究了所开发的ECoG电极阵列的力学性能（图2a）。图2b-e为样品在加速老化前后的应变应力曲线。在老化前（第0周），PDMS厚度为80µm的薄衬底（样品A和C）比PDMS厚度为150µm的厚衬底（样品B和D）具有更高的屈服应力。因此，厚的PDMS样品表现出较低的杨氏模量（图2f）。在弹性区域，对二甲苯沉积的PDMS（样品A和B）的应力略高于填充对二甲苯的PDMS（样品C和D）；这是由于对二甲苯沉积的PDMS样品的PDMS顶部存在对二甲苯对二甲苯层。此外，对二甲苯对二甲苯填充的PDMS具有稍高的拉伸能力，其断裂应变更高。这些结果表明，填充对二甲苯的PDMS的初始力学性能更接近于生物组织。我们基于80µm厚的对二甲苯处理PDMS的电极显示杨氏模量为18.1-28.7MPa，远低于基于聚酰亚胺或对二甲苯的电极（杨氏模量为几个GPa）。因此，我们的设备使与大脑表面保形接触。虽然基于医用级硅胶的商用ECoG器件的杨氏模量（~ 8.28 MPa ）低于我们的器件，但由于厚度大（~ 1 mm），无法与脑表面发生保形接触，从而导致僵硬。

对二甲苯填充和沉积的聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料进行了老化测试。结果显示，所有样品的杨氏模量增加，断裂应变减小。填充对二甲苯的PDMS在老化过程中显示出更大的杨氏模量增加幅度，可能与其吸水性高有关。相比之下，沉积对二甲苯的PDMS吸水量更少。厚度更大的PDMS材料在老化过程中杨氏模量的变化幅度比薄样品更大。所有样品的断裂应变随时间推移而减小，主要是因为PDMS吸水而拉伸性降低。与填充对二甲苯的PDMS相比，沉积对二甲苯的PDMS在断裂应变方面变化较小，更稳定。挠曲刚度方面，厚度较大的PDMS具有更高的挠曲刚度，并且随时间增加。总体而言，填充对二甲苯的PDMS更接近于脑组织的杨氏模量，而沉积对二甲苯的PDMS的断裂应变变化较慢。

在加速老化条件下的长期电化学性能

图3a和b分别显示了基于对二甲苯沉积的PDMS（样品A）和对二甲苯填充的PDMS（样品C）的电极的初始EIS结果（老化前）。样品A在1 kHz处的阻抗为222.4 ± 72.3 kΩ，样品C为27.8 ± 11。2 kΩ。样品C的阻抗显著降低是由于在对二甲苯填充PDMS的过程中表面积增加。对二甲苯填充的PDMS表面比对二甲苯沉积的PDMS表面粗糙，如图3h和i所示。离子可以与电极相互作用的表面积的扩大会导致电容的增加，从而降低阻抗。为了研究电极的长期电化学性质，我们在加速老化条件下进行了为期150天的EIS测试。老化150天后，样品A和样品C在1 kHz处的阻抗分别为212.37 ± 13.9 kΩ和55.7 ± 8.5 kΩ（图3c和d）。

图3 电化学和植入试验

老化前后的阻抗幅度没有变化，而样品C在老化后的阻抗幅度增加了一倍如图3e，样品A和C的相位始终保持在-80◦左右（图3f）。PDMS衬底的吸水导致样品c的阻抗显著增加。我们推测样品A中PDMS上的对二甲苯层是一种有效的吸水屏障。尽管对二甲苯填充PDMS的阻抗增加，但即使在老化后，基于对二甲苯填充PDMS的电极的阻抗也比基于对二甲苯沉积PDMS的电极低4倍。

长期的体内阻抗

将基于80µm厚的PDMS（样本A和C）的ECoG电极阵列植入大鼠大脑，并随着时间的推移监测1 kHz时的体内阻抗（图3j）。在大鼠体内测量阻抗，并与第0周的初始阻抗进行比较。样品A和C的体内阻抗随着时间的推移而增加（图3j）。样品C（对二甲苯填充PDMS）的增加相对较高，方差较大，说明样品C可能更受生物环境的影响。此外，样本A（对二甲基沉积的PDMS）也被用于测量非人类灵长类动物大脑体内阻抗长达12周的阻抗（图3k）。阻抗直到第5周才略有增加，这与在大鼠大脑中获得的结果相似；然而，随后观察到阻抗的显著增加。虽然体内阻抗增加到500 kΩ以上，但它使SEP信号的记录成为可能。

体感诱发电位的记录

图4 ECoG电极阵列在机械刺激大鼠爪子下的SEPs记录

使用基于样本A和样本C的ECoG电极来记录大鼠爪子对机械刺激的SEPs反应(图。S8)。使用毛发戳右爪从左躯体感觉皮层获得的SEPs（图4a），提供了施加定量力的信息，清楚地检测到P1、N2和P2的信号峰（图4b）。基于样本A和C的ECoG阵列记录了机械刺激诱导的类似SEPs。此外，我们还证明，通过基于诱发的SEPs的大脑作图，通过刺激前肢（FL）或后肢（HL），可以识别出一个特定的皮质区域（图4c）。与平均SEPs重叠的大脑图，根据FL或HL刺激的不同区域显示出高振幅信号。这些反应区域与已知的与FL或HL相关的皮质区域相一致。为了评价基于对甲基处理PDMS的电极记录性能，进一步从时频分析、振幅、噪声水平和信噪比等方面分析诱发的SEPs。

在0.048到300 g的不同水平后爪力上检测到SEPs。诱发的SEPs的振幅逐渐增加，达到180 g的力，之后在300 g的力时显著增加（图4e）。因此，信噪比也随信号振幅的增加而增加（图4f）。当力超过8g时，响应概率表明SEPs反应是否被机械刺激引起的概率几乎为100%（图4g）。综上所述，样品A和C的记录性能没有显著差异，但在300 g大力刺激下，样品C表现出较高的信号振幅和信噪比，说明在体内记录性能略有改善（图4e和f）。用300 g的力机械刺激爪子诱发的SEPs表明，样品C测量的P1N1和P2N1的振幅分别比样品A测量的大48.5%和37.3%，从而得到更高的信噪比。

图 5 ECoG电极阵列在猴子皮肤的机械刺激下记录SEPs

为了评估所开发的ECoG阵列的长期适用性，我们记录了一只猕猴12周的SEPs。当毛发以1、10和180 g的力施加于第五指（D5）的指尖和手掌的中心区域时，从S1的手部区域记录SEPs（图5a和b）该文介绍了针对猴子手部区域进行的心电图阵列优化，并将记录电极数量增加到32个，目的是覆盖S1手部区域。实验使用80um厚的聚对二甲苯(PDMS)沉积在电极基底上，电极活性位点直径为200微米，电极之间的中心距离为1.25毫米。实验发现施加不同力量(1g和180g)到手掌上会观察到不同振幅的SEPs。通过记录不同通道的SEPs，可以明确发现对D5指尖刺激的两个反应部位。此外，通过记录不同通道的SEPs，还发现了对D5指尖和手掌刺激的两个不同位置。在12周期间成功记录了SEPs，SEPs振幅随时间的推移变化，但仍能长时间记录大脑活动。在不同刺激强度下的SEP波形相似，且低频段的电刺激可产生触觉。高强度刺激下的SEP信号在高能量波段具有更大的功率。总的来说，该实验表明使用电极阵列可以有效记录大脑活动和感觉变化。

由于刺激方法、活性部位性质（如涂层材料和活性区域）和记录区域的差异，诱发PSD的主要频带难以进行比较。然而，PSD的最大值是比较记录性能质量的因素之一。

我们的电极记录到的 PSD 最大功率为 20 至 30 dB，与之前报道的耳蜗电极的 20 dB 至 40 dB 相当。在我们的实验中，20 Hz 以下的 PSD 值因使用绒毛的触觉刺激而增加，被触觉刺激提高了。尽管所记录的大脑反应性质不同，但所开发电极在低频段的记录性能与之前发表的显示癫痫发作时 PSD 增加的结果相似。在 100 Hz 以上的高频率下，我们的电极检测到的信号，我们的电极检测到的信号比之前报道的心电信号显示出更高的功率。因此，我们开发的设备在频率域的记录质量与之前报道的和商业电极的频率域记录质量相当。

在以往的研究中，长期的ECoG记录大多使用商用的ECoG电极进行，该电极基于医用级硅胶，电极尺寸为毫米级。与商业化的和先前开发的硅基电极相比，我们的基于PDMS的器件显示出更高的信噪比。通常，ECoG分析的频率范围高达200 Hz。在给定的带宽下，我们记录的ECoG信号的PSD与之前的ECoG结果中报道的相似。另一方面，只有少数使用uECoG电极的研究报道了长期有记录的结果。与那些uECoG电极相比，我们的基于对二甲基处理PDMS的电极显示出更高的信噪比。我们基于PDMS的电极的尺寸为微米，但同时，显示了长期的ECoG记录性能，可与以前报道的基于硅的选择相媲美。

结论

我们研究了基于PDMS的ECoG电极阵列的长期机械和电化学性质，并验证了其在体内的记录性能。最初，与对二甲苯沉积PDMS的电极相比，对二甲苯填充PDMS的电极表现出更好的机电性能，因为它们具有更低的杨氏模量、较低的弯曲刚度、更高的拉伸性能和更低的阻抗。然而，与对二甲苯填充的PDMS相比，对二甲苯沉积的PDMS上的电极表现出更好的机械和电稳定性。在对二甲苯沉积的PDMS中，薄的对二甲苯有效地抑制了PDMS的水分吸收，减少了湿环境的影响。然而，基于对二甲苯填充PDMS的电极也适合长期使用，因为阻抗在长达5个月的整个实验期间阻抗始终保持较低。体内实验表明，所开发的基于PDMS的ECoG阵列可以长期记录数月的SEPs。

参考文献：

Soft, conformal PDMS-based ECoG electrode array for long-term in vivo applications