Nature子刊 | 用于选择性记录迷走神经的柔性薄膜微通道电极阵列

迷走神经是自主神经系统中最重要的神经之一，控制着许多重要的生理功能，包括消化、心血管和免疫系统。了解迷走神经的活动对于治疗许多疾病至关重要，但传统的神经记录技术存在一些局限性。因此，开发一种灵活、薄膜的微通道电极阵列装置具有重要意义，可以更好地记录迷走神经的活动，并为相关疾病的研究和治疗提供新的途径。

在本文中，我们提出了一种新型的柔性微通道电极阵列（Flex-µCh），它可以与大鼠的膈下VN连接（图1），特别是VN的胃腹侧分支（VGVN）。我们设计、制造并表征了该装置，并通过手术植入VGVN和记录来自VGVN（N = 7）的神经信号来证明了其功能。我们成功地记录了从器件的多个通道中具有不同传导速度的电诱发复合动作电位（ECAP）。

▲图 1 电极测试示意图

设计与加工

该装置由接触垫、互连部件和记录头三个关键组件组成。设计上考虑了与商业可用的零插入力(ZIF)连接器兼容，以确保易于植入和连接。微通道内的记录电极间距为1毫米，以便有效分离传导速度较慢的C纤维信号。装置的制造采用了微纳加工技术，包括光刻、沉积、刻蚀等步骤，以实现高精度和高质量的装置制备。

工艺

在这篇论文中，制造工艺包括以下步骤：

1. 使用PI树脂（PI 2525）在4英寸硅（Si）晶片上旋涂（厚度=10μm），并在300°C下固化1小时。
2. 在PI基板上进行光刻处理，包括使用正光刻胶（PR, AZ9260）进行旋涂和110°C软烘。
3. 使用无掩模对准器（MLA150）和UV激光（405nm）直接在金属线路上写入图案。
4. 使用缓冲氧化蚀刻（BOE）溶液将器件从硅基板上释放，然后用去离子水冲洗5次。
5. 在微通道壁之间定义记录电极，然后通过电镀在Pt表面形成高度粗糙的Pt-黑色层以改善阻抗。
6. 使用铂黑电镀溶液（包括六氯铂酸和乙酸铅三水合物）在电极表面涂覆Pt-黑色层。

控制电荷密度（4.7 C cm^-2）以确保Pt-黑色层的均匀涂覆。

1. 最终形成的Pt-黑色层具有类似菜花状的分形纳米形态，从微米尺度到纳米尺度具有自相似的树状晶粒。
2. 电极剥离

这些制造工艺步骤通过微纳加工技术实现了灵活、薄膜微通道电极阵列装置的制备，确保了装置的高灵敏度和高质量的神经信号记录。

▲图 2 电极设计图

▲图 3 电极详细加工

电极植入

目标植入部位位于食管尾部至膈下肝和腹腔迷走神经分支的腹侧表面如图4所示，以下是详细的植入步骤

1. 麻醉动物：在实验开始前，对实验动物进行充分的麻醉以确保手术过程中动物不会感受到疼痛或不适。
2. 手术准备：准备手术器械、消毒剂和手术区域，确保手术环境清洁和无菌。
3. 手术切口：在动物体表上进行切口，暴露出膈下迷走神经的位置。
4. 神经隔离：使用显微外科技术或其他适当的方法，小心地隔离和暴露出膈下迷走神经，以便后续的装置植入。
5. 装置植入：将设计好的灵活、薄膜微通道电极阵列装置小心地植入到隔离出的膈下迷走神经附近位置。
6. 位置调整：确保装置正确地定位在膈下迷走神经附近，并固定在适当的位置以防止移位或脱落。
7. 术后护理：在手术结束后，对动物进行适当的术后护理，包括止血、缝合伤口、给予适当的药物和监测动物的恢复情况。
8. 实验记录：在装置植入后，记录神经信号的变化和实验数据，以评估装置的性能和效果。

▲图 4 电极植入方法

电极电化学测试

平均CV曲线（N = 8）在25个周期从Pt黑（“Pt黑”）电极显示显著扩大相比从裸Pt（“裸Pt”）电极曲线（图5a）：Pt黑色的CV曲线也显示了所有的特征Pt/PBS电化学界面如峰值氧化物减少、氢吸附、氢解吸和表面氧化37。由于Pt-黑色的电化学活性表面明显增大，Pt-黑色电极的CSCc（73.8±6.6mCCm−2）比裸Pt电极的CSCc（3.30±0.11mCcm−2）高22倍。

▲图 5 电极电化学CV和EIS测试

测量ECAP信号

通过微通道电极阵列，我们解剖了VGVN，并将其近端放置在设备右侧的电极上（Ch9-Ch16，图6a）。数据采集从初始切口后2-4小时开始，并在1-2小时内完成。在刺激前，记录10 s的信号来测量噪声下限：所有通道信号的噪声下限均方根（RMSnosise）的均方根为2.80 ± 0.15µV。在阴极刺激阶段，从电极阵列中获取ECAP信号（图6b）。

▲图 6 微通道内的电极阵列记录ECAP信号

结论：

本文提出了一种实现于柔性薄膜基板上的新型微通道电极阵列器件。Flex-µCh装置被设计为与大鼠VGVN连接，大鼠VGVN位于食道，靠近胃，位于由于器官运动而受机械运动影响的区域。

该薄膜平台最小化了VGVN周围的体积足迹，从而可以减少由机械相互作用造成的创伤。电极上涂上Pt黑，通过微纳米尺度的粗糙形态降低阻抗，以确保神经信号的高质量记录。

我们演示了将该装置植入大鼠VGVN，并记录宫颈VNS诱发的ECAP信号。连接VGVN横切端的电极阵列清晰地记录了无髓鞘c纤维传导速度范围内的ECAP信号，信噪比可达28.0 dB，可以认为是一个高质量的信号。下一步的关键是开发一种先进的神经梳理方法，成功梳理直径为100µm的大鼠VGVN，并将其分离到微通道中，记录更高分辨率的神经信号模式。

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