高信噪比（SNR）的肌電圖（EMG）記錄對(duì)于識(shí)別和分析單個(gè)運(yùn)動(dòng)單位活動(dòng)至關(guān)重要。雖然高密度電極允許更大的空間分辨率，但較小的電極面積意味著更高的阻抗和更低的信噪比。在本研究中，我們開(kāi)發(fā)了一種可植入且柔性的3D微電極陣列，其阻抗低，能夠進(jìn)行高質(zhì)量的EMG記錄。我們通過(guò)三維聚酰亞胺微錐結(jié)構(gòu)和PEDOT:PSS涂層增大有效表面積，制造了高密度陣列，PEDOT:PSS涂層增加了表面粗糙度。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的光刻工藝實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)，可以有效增加有效表面積高達(dá)250%，并顯著提高各種幾何表面積的電極點(diǎn)的電氣性能，其中電極阻抗最多可提高99.3%。通過(guò)將電極植入活體小鼠中記錄EMG活動(dòng)，獲得了平均信噪比為447.3的高信噪比。

一、簡(jiǎn)介

與中樞神經(jīng)系統(tǒng)記錄相比，肌電圖（EMGs）記錄提供了關(guān)于肌肉運(yùn)動(dòng)的更精確和微妙的信息，這些信息對(duì)于特定運(yùn)動(dòng)功能的特征描述和行為疾病進(jìn)展可能至關(guān)重要。傳統(tǒng)上，EMGs是通過(guò)將細(xì)線直接插入肌肉中來(lái)收集的。然而，細(xì)線電極主要捕捉包含多個(gè)單位活動(dòng)的整體EMG，而單個(gè)運(yùn)動(dòng)單位對(duì)于整體計(jì)算分析是必不可少的。為了獲取單個(gè)運(yùn)動(dòng)單位的EMG，兩個(gè)關(guān)鍵因素是高空間分辨率和低電極阻抗。然而，這些指標(biāo)本質(zhì)上是相互對(duì)立的：高空間分辨率要求更小、更密集的電極點(diǎn)，而電極阻抗會(huì)受到電極表面積減少的負(fù)面影響。

解決這一挑戰(zhàn)的一種方法是在保持幾何表面積（足跡）的同時(shí)增加有效表面積（ESA）。試圖通過(guò)提高ESA以獲得更好的電化學(xué)性能的先前技術(shù)大致可以分為兩種：表面改性和3D結(jié)構(gòu)制造。對(duì)于表面改性，通過(guò)電聚合或旋轉(zhuǎn)鑄造在電極點(diǎn)上涂覆多孔導(dǎo)電聚合物是一種方便且有效的方法，可以增加表面粗糙度，從而增加ESA。等離子體處理應(yīng)用于金屬表面是改變表面形態(tài)的另一種方法。制造3D電極是增加ESA的另一種方式，但先前的方法要么不能提供高密度，要么它們使用的制造工藝難以適應(yīng)柔性基底。研究人員通過(guò)模具技術(shù)制造的柱狀結(jié)構(gòu)，或者由光阻回流形成的3D電極點(diǎn)，尺寸都相對(duì)較大。另外，研究人員將納米多孔膜粘合到電鍍金納米柱上，科研人員利用電子束光刻和熱氧化層減薄形成垂直柱，這些設(shè)計(jì)都是用于剛性基底上的體外測(cè)試。本文旨在結(jié)合表面改性和可擴(kuò)展的3D結(jié)構(gòu)制造，實(shí)現(xiàn)高密度的柔性、生物相容的微電極陣列（MEA），用于體內(nèi)應(yīng)用。

在這項(xiàng)工作中，3D電極點(diǎn)是通過(guò)使用聚酰亞胺微錐制造的，隨后涂覆PEDOT:PSS以實(shí)現(xiàn)低阻抗。我們通過(guò)比較不同表面處理材料的2D和3D電極之間的阻抗，展示了電氣性能的改善，并顯示與平面金電極相比，所提出設(shè)計(jì)的阻抗提高了99.3%。還展示了從小鼠的二腹肌記錄的EMG的體內(nèi)數(shù)據(jù)；從測(cè)量的EMG中計(jì)算出高信噪比（SNR）為447.3，與先前報(bào)道的體內(nèi)測(cè)試的信噪比（≈15）相比，提高了290%。

二、三維微電極陣列（MEA）的制造

2.1方法和材料

三維微電極陣列（MEA）的制造過(guò)程總結(jié)于圖1。首先，在4英寸硅載片上旋涂并固化一層15微米厚的聚酰亞胺（PI-2611）層（圖1(a)）。為了構(gòu)建3D聚酰亞胺微錐，旋涂一層15微米厚的光定義聚酰亞胺（HD-8820），進(jìn)行軟烘烤并通過(guò)無(wú)掩模對(duì)準(zhǔn)機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝進(jìn)行圖案化（圖1(b)）。圖案化的3D微錐隨后在烤箱中固化。使用O2和SF6（5:1比例）等離子體的反應(yīng)離子刻蝕（RIE）工藝來(lái)粗糙化聚酰亞胺基板和錐體的表面。這進(jìn)一步增加了表面積并改善了金屬在聚酰亞胺上的附著力。跡線和電極是通過(guò)提升工藝進(jìn)行圖案化的；首先蒸發(fā)沉積鈦（Ti）粘附層，然后是金（Au）。在金上還沉積了一層薄薄的犧牲Ti層，作為視覺(jué)上識(shí)別頂部聚酰亞胺層成功刻蝕的手段（圖1(c)）。然后旋涂并固化一層5微米的聚酰亞胺（PI-2611）。使用6微米厚的正性光刻膠（PR）制作蝕刻掩模，并通過(guò)RIE刻蝕頂部聚酰亞胺以暴露電極和連接器位點(diǎn)（圖1(d)）。隨后使用飛秒激光將MEA切割成單個(gè)陣列（圖1(e)）。然后使用各向異性導(dǎo)電膜（ACF）將32通道Omnetics連接器連接到每個(gè)陣列（圖1(f)）。

圖1.柔性三維微電極陣列的制造過(guò)程。（a）基底層聚酰亞胺涂覆，（b）光定義聚酰亞胺涂覆與圖案化，（c）Ti/Au/Ti蒸發(fā)與圖案化，（d）頂層聚酰亞胺涂覆與刻蝕，（e）激光切割，（f）器件釋放、組裝和PEDOT的電子聚合。

為了進(jìn)一步改善電氣性能，通過(guò)電聚合方法在金微電極上沉積了一層PEDOT:PSS層。使用10mM EDOT的水分散液加入2.0g/100mL的NaPSS作為電解質(zhì)，在兩電極裝置中以恒電流條件下電聚合PEDOT:PSS，其中金電極陣列作為工作電極，鉑網(wǎng)作為對(duì)/參比電極。在室溫下，施加0.5 mA/cm^(2)的恒定電流密度，持續(xù)5分鐘，以沉積一層PEDOT:PSS。

2.2制造結(jié)果

成功地在各種足跡尺寸（從200μm×200μm到5μm×5μm）的電極上制造了PEDOT:PSS涂覆的3D聚酰亞胺微錐。制造的MEA的光學(xué)圖像顯示在圖2(a)中。用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）檢查了PEDOT:PSS覆蓋的微錐的表面形態(tài)，20μm×20μm電極的示例顯示在圖2(b)中。通過(guò)調(diào)整光定義聚酰亞胺的曝光和顯影過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了3D微結(jié)構(gòu)的錐形形狀。添加3D微錐使得不同足跡尺寸的有效表面積（ESA）增加了150%到250%。電沉積的PEDOT:PSS均勻覆蓋了3D微錐，形成了一種粗糙和多孔的涂層，以進(jìn)一步增強(qiáng)ESA。圖2(c)的橫截面視圖清晰地揭示了電極的不同層：由聚酰亞胺制成的基底層和微錐、薄金屬跡線以及厚度約為1μm的頂部PEDOT層。

圖2.光學(xué)和電子顯微鏡圖像。（a）制造的3D MEA的光學(xué)圖像。（b）帶有頂部13個(gè)微錐以增加有效表面積的20μm×20μm電極墊的SEM圖像。插圖顯示PEDOT:PSS電聚合后表面含有納米特征和多孔性。（c）聚焦離子束（FIB）橫截面的SEM圖像，顯示了設(shè)備的多層結(jié)構(gòu)。在FIB過(guò)程中，頂部沉積了一層薄薄的鎢以保護(hù)表面。