薄膜聚合物微電極陣列，顧名思義，是一種由薄膜聚合物材料制成的微電極系統(tǒng)。這些微電極通常以二維或三維陣列的形式排列，能夠在微觀尺度上記錄或刺激生物組織的電活動(dòng)。其基本原理在于利用聚合物的優(yōu)良電學(xué)性能和生物相容性，將電極與生物組織有效界面結(jié)合，實(shí)現(xiàn)電信號的傳輸和轉(zhuǎn)換。下面介紹薄膜聚合物微電極陣列串?dāng)_研究結(jié)果與討論。

1.雙孔設(shè)置

為了研究聚合物MEA上電極的串?dāng)_，我們以SU8封裝為模型系統(tǒng)，在Kapton基板上制作了兩個(gè)相鄰的微電極。聚（3,4-亞乙二氧基噻吩）聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS）被電沉積在金電極位點(diǎn)上，以將位點(diǎn)阻抗降低到實(shí)用神經(jīng)電極的相關(guān)值。兩個(gè)模型電極的互連線長度不同，以便只將輸入信號隔離到其中一個(gè)電極。然后將兩個(gè)電極放入定制的測量平臺，測量串?dāng)_（圖1a、b）。測量平臺由兩個(gè)聚碳酸酯井組成，井的頂部裝有O形環(huán)，以防止在含有液體溶液時(shí)發(fā)生泄漏。ESM中的圖S1顯示了測量裝置的光學(xué)圖像。雖然硅探針和電路建模產(chǎn)生的串?dāng)_在之前的研究中已被廣泛報(bào)道，但在測量過程中，往往需要在受害溝道電極封裝或接地的情況下制造測試設(shè)備，這樣就會漏計(jì)電極部位阻抗產(chǎn)生的耦合。但事實(shí)上，受害電極在真實(shí)的體內(nèi)環(huán)境中也是起作用的，沒有接地或封裝。所報(bào)告的串?dāng)_值要么是在空氣環(huán)境中，要么是在生理鹽水中，沒有關(guān)于受害者電極接地的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。本研究中定制的雙孔平臺可在真正隔離受害者通道與信號輸入的情況下測量串?dāng)_，并可單獨(dú)精確控制其接地條件。具體來說，如圖1a所示，較短跡線（受害者跡線）的電極位于井1中，較長跡線（攻擊者跡線）的電極位于井2中。在本研究中，痕量重疊的長度固定為14毫米，而兩個(gè)井的直徑相同，均為14.5毫米，以包含井2中的主要痕量重疊。在整個(gè)測量過程中，井2外部的微量重疊長度不超過1毫米，以確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。測試信號被輸入井2，同時(shí)兩個(gè)電極的接觸墊被連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAQ）的不同通道。由于只有攻擊電極的位置在井2內(nèi)，因此受害者電極的輸出不包括輸入信號，而只包括攻擊電極的串?dāng)_。兩個(gè)電極跡線的重疊部分主要位于1號井內(nèi)，其環(huán)境可通過不同的接地進(jìn)行控制。兩個(gè)微電極的場地面積均為6400μm2（80×80μm2），同時(shí)改變兩個(gè)電極跡線之間的間隙和SU8層的厚度，以研究它們的影響。涂覆PEDOT.PSS后，電極的阻抗約為10 kΩ：PSS涂層后，電極的阻抗約為10 kΩ。因此，在受控環(huán)境下，從與受害者跡線相連的焊盤上獲取的數(shù)據(jù)會產(chǎn)生串?dāng)_信號（圖1c）。使用電信號表征高密度多電極陣列的串?dāng)_效應(yīng)具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)殡姌O間距通常太小，無法將輸入隔離到單個(gè)通道。因此，使用2孔測量平臺的簡單2跟蹤系統(tǒng)來確定串?dāng)_效應(yīng)，將有助于預(yù)測實(shí)際器件的串?dāng)_并指導(dǎo)器件設(shè)計(jì)。2孔平臺還可進(jìn)行定制，以測試不同形狀的器件，如具有彎曲或多交叉互連的器件。

圖1.在潮濕條件下使用雙孔設(shè)置對聚合物MEA進(jìn)行串?dāng)_測量。(a)濕法串?dāng)_測量裝置示意圖。(b)用于串?dāng)_測量的電極配置。(c)與輸入信號（黑色）相比，在不同環(huán)境下測量到的串?dāng)_波形。

在本研究中，我們分別研究了干燥環(huán)境、浮濕環(huán)境和帶分流的潮濕環(huán)境下的串?dāng)_效應(yīng)，其中干燥環(huán)境表示井1中的介質(zhì)為空氣，而浮濕環(huán)境表示井1中的PBS溶液浮在地面上。如果井1中的PBS溶液通過一定的電阻（Zsh）與地面相連，我們將其命名為帶分流條件的濕環(huán)境。這三種不同的環(huán)境涵蓋了微電極在從臺架測試到體內(nèi)設(shè)置的信號記錄過程中可能經(jīng)歷的所有接地情況。因此，測量來自這三種環(huán)境的串?dāng)_對于從設(shè)備中獲得全面的串?dāng)_信息非常重要。

2.等效電路

為了了解雙井測量的串?dāng)_情況，我們對1號井的三種不同環(huán)境進(jìn)行了等效電路分析。等效電路元素包括封裝層內(nèi)兩個(gè)電極跡線之間的固有耦合阻抗(Zdry)、電極跡線通過封裝層到濕介質(zhì)的阻抗(Zwet)、電極位置阻抗(Zs)、放大器輸入阻抗(Zin)和分流阻抗(Zsh)。溶液電阻（Zsol）也包括在內(nèi)，但在電路建模中可忽略不計(jì)。如圖2a和2b所示，三種環(huán)境的等效電路因電氣設(shè)置不同而不同。在這里，串?dāng)_的定義是受害者軌跡輸出信號振幅（Vo2）的均方根除以攻擊者軌跡輸入信號振幅（Vi1）的均方根。圖2c總結(jié)了等效電路中用于計(jì)算串?dāng)_的簡化方程。這里的假設(shè)包括與Zwet和Zin相比小得多的電極部位阻抗(Zs)。有趣的是，在井1中兩個(gè)電極及其互連器件之間的耦合阻抗(Zc)下，所有三種環(huán)境的方程都可以統(tǒng)一，如下所示。

圖2.不同測量條件下的串?dāng)_電路模型。(a)雙電極串?dāng)_測量電路和組件示意圖。Zdry：空氣環(huán)境中兩個(gè)電極之間的耦合阻抗。Zwet：通過封裝實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)線與濕介質(zhì)之間的耦合阻抗。Zsh：單個(gè)電極到地之間的分流電阻。Zsol：濕介質(zhì)的溶液電阻。Zin：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入阻抗。Zs：微電極的現(xiàn)場阻抗。(b)串?dāng)_測量裝置的等效電路。(c)在不同條件下計(jì)算串?dāng)_的簡化方程表。Zc：兩個(gè)電極之間的總耦合阻抗。

值得注意的是，這里的電路建模也適用于其他MEA，如傳統(tǒng)的硅探頭。與之前工作中的電路建模相比，這里我們首次考慮了受害電極分流路徑及其在不同接地條件下的變化，以研究串?dāng)_效應(yīng)。雖然之前的一些研究對受害者通道接地的記錄路徑進(jìn)行了建模，并推導(dǎo)出了硅探針的簡化串?dāng)_方程，但如果存在不可忽略的分流阻抗（Zsh），電路建模和串?dāng)_值將會有很大不同，而這很可能是體內(nèi)的情況。因此，我們建議采用濕法分流條件下的電路建模作為表征一般微電極陣列體內(nèi)串?dāng)_的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗斜匾碾娐吩谡鎸?shí)的體內(nèi)環(huán)境中都得到了考慮和妥善安置。在本研究中，我們還通過改變?nèi)菁{受害電極的1號井的不同接地條件和分流電阻，對這種受害電極分流并入串?dāng)_模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具體分析如下。

3.串?dāng)_分析

為了量化聚合物MEA中的串?dāng)_并了解其物理原理，我們比較了從雙孔裝置中測量到的串?dāng)_和從等效電路中模擬到的串?dāng)_。在干燥（1號井中的空氣）和潮濕（1號井中的PBS）環(huán)境下，將具有較長互連線的電極（攻擊者跡線）連接到工作電極，而將具有較短互連線的電極（受害者跡線）連接到反電極，以測量總耦合阻抗(Zc)。在Intan記錄系統(tǒng)中測量到的輸入阻抗Zin始終為13 MΩ，我們利用該系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來測量信號。如果沒有特別說明，阻抗總是以1 kHz的頻率測量。1 kHz的阻抗已被廣泛用于表征神經(jīng)電極。測量系統(tǒng)中添加了Zsh，使用的直流電阻從47 kΩ到2 MΩ，涵蓋了體內(nèi)微電極對地分流阻抗的廣泛范圍。對于所有三種環(huán)境，測量和計(jì)算的串?dāng)_在1 Hz至5000 Hz的寬頻帶內(nèi)顯示出高度的一致性。雖然干燥和潮濕環(huán)境下的串音趨勢可能并不明顯，但當(dāng)系統(tǒng)中包含分流阻抗時(shí)，串音的頻率依賴性可以清晰地觀察到（圖3a、b）。串音隨著頻率和分流阻抗的增加而增加，這表明串音效應(yīng)的威脅隨著高頻段信號記錄和較差的接地而增加。

圖3.串?dāng)_結(jié)果與測量條件和器件參數(shù)的關(guān)系。(a)在干式、浮動(dòng)濕式和濕式/分流條件下測量和計(jì)算的串?dāng)_頻譜。實(shí)線：測量到的串音；虛線：使用測量到的耦合阻抗（Zdry、Zc）計(jì)算出的串音。(b)不同分流電阻下的測量和計(jì)算串音。實(shí)線：測量到的串?dāng)_；虛線：利用測量到的耦合阻抗(Zdry,Zc)計(jì)算出的串?dāng)_。(c)耦合阻抗Zdry和Zc的頻譜。虛線：擬合曲線，擬合方程顯示在面板中。電極跡線寬度：100微米，跡線重疊長度：14毫米。

4.耦合阻抗模擬和串?dāng)_預(yù)測

目前，柔性MEA的制造采用了高比例外形尺寸、超薄聚合物層和大尺寸特征，以獲得更好的組織機(jī)械順應(yīng)性和更高的電極密度。雖然電極的尺寸和間距與神經(jīng)元大小相當(dāng)（通常超過10μm）足以實(shí)現(xiàn)單個(gè)單元記錄，但要實(shí)現(xiàn)高密度和大吞吐量的MEA，必須將電極互連擴(kuò)展到亞微米級。先進(jìn)的聚合物MEA具有高密度和靈活性，其電極互連和間距從0.2微米到2微米不等，基底和封裝層的聚合物厚度從0.8微米到2微米不等。與用于保護(hù)硅基MEA的硅、硅氧化物和氮化物相比，聚合物MEA與聚合物基底和封裝層的絕緣能力有限。聚酰亞胺、聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚對二甲苯C等聚合物在長期研究中也會導(dǎo)致絕緣性能下降。因此，與硅基器件相比，聚合物MEA在放大和微型化過程中面臨著更嚴(yán)重的串?dāng)_威脅。

圖4.耦合阻抗模擬和串?dāng)_預(yù)測。(a)在COMSOL中建立的仿真模型與靜電位圖。(b)在不同條件下，模擬耦合阻抗與兩個(gè)電極跡線之間間隙的函數(shù)關(guān)系，串?dāng)_模型的推導(dǎo)精度與測量值進(jìn)行比較。左軸：模擬耦合阻抗；右軸：串?dāng)_模型精度。(c)在不同條件下，模擬耦合阻抗是封裝層（SU8）厚度的函數(shù)，推導(dǎo)出的串?dāng)_模型精度與測量值進(jìn)行了比較。左軸：模擬耦合阻抗；右軸：串?dāng)_模型精度。(d)最新硅探頭報(bào)告的串?dāng)_值與使用我們的模型模擬的串?dāng)_值的比較。黑星表示模擬值。(e)FEA得出的串?dāng)_與納米級器件中的痕量間隙的函數(shù)關(guān)系。藍(lán)色區(qū)域：分流電阻為0.5至10 MΩ時(shí)的串?dāng)_。(f)FEA導(dǎo)出的串?dāng)_與納米級器件封裝層(SU8)厚度的函數(shù)關(guān)系。藍(lán)色區(qū)域：分流電阻為0.5至10 MΩ的串?dāng)_。(g)FEA得出的串?dāng)_與納米級器件中金痕量寬度的函數(shù)關(guān)系。(h)有限元分析得出的串?dāng)_與納米級器件中金痕量厚度的函數(shù)關(guān)系。(i)FEA得出的串?dāng)_與納米級器件中基底厚度的函數(shù)關(guān)系。藍(lán)色區(qū)域：分流電阻為0.5至10 MΩ的串?dāng)_。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證我們對納米尺度串?dāng)_預(yù)測的準(zhǔn)確性，我們還從最先進(jìn)的硅基MEA中提取了報(bào)告的串?dāng)_值，并使用它們的器件參數(shù)和本文開發(fā)的模型進(jìn)行了串?dāng)_仿真（圖4d）。模擬串?dāng)_結(jié)果與報(bào)告值相當(dāng)，但有些結(jié)果存在一定差異。通過了解報(bào)告器件的更多具體信息，可以進(jìn)一步提高模擬的準(zhǔn)確性。此外，在仿真模型中，硅探針的器件結(jié)構(gòu)通常被簡化。器件參數(shù)、結(jié)構(gòu)甚至采用的材料特性的變化肯定會造成模擬結(jié)果的差異。

研究結(jié)論

在這項(xiàng)工作中，我們開發(fā)了一種新穎的雙孔三環(huán)境平臺，并在真正隔離受害電極的情況下對聚合物MEA中的串?dāng)_進(jìn)行了整體表征。等效電路建模揭示了來自不同電路元件的串?dāng)_效應(yīng)，并生成了一個(gè)統(tǒng)一方程，用于計(jì)算聚合物MEA在不同電極接地條件（即干式、浮動(dòng)濕式和帶分流器的濕式）下的串?dāng)_。對兩個(gè)相鄰電極跡線的串?dāng)_進(jìn)行系統(tǒng)研究后發(fā)現(xiàn)，在所有不同環(huán)境下，串?dāng)_值都與建模結(jié)果十分吻合，從而驗(yàn)證了我們的方法。此外，我們還模擬了納米級聚合物MEA的耦合阻抗并預(yù)測了串?dāng)_，這為設(shè)計(jì)串?dāng)_最小的薄膜聚合物MEA提供了指導(dǎo)。在此，我們建議將這種基于耦合阻抗的濕分流環(huán)境串?dāng)_計(jì)算方法作為表征微電極陣列體內(nèi)串?dāng)_的標(biāo)準(zhǔn)。我們相信，這項(xiàng)工作中展示的串?dāng)_測量和表征適用于所有基于聚合物的MEA，我們的結(jié)論也可擴(kuò)展到這些設(shè)備。未來的工作將包括不同材料的串?dāng)_依賴性研究、各種聚合物MEA的長期串?dāng)_表征，以及減少聚合物MEA串?dāng)_效應(yīng)的器件設(shè)計(jì)。我們相信，本文的研究不僅規(guī)范了一般MEA的串?dāng)_評估，還為設(shè)計(jì)專門用于高質(zhì)量神經(jīng)接口的聚合物MEA提供了一般指導(dǎo)原則。