三、特性表征與肌電圖測(cè)量

3.1電化學(xué)特性表征

為了評(píng)估增加的3D結(jié)構(gòu)和多孔PEDOT:PSS涂層的優(yōu)勢(shì)，我們?cè)谏睇}水溶液（0.9%NaCl）中使用Ag/AgCl參比電極，在2電極設(shè)置中獲得了平面和3D電極在1kHz下的阻抗，這些電極均具有金和PEDOT:PSS表面處理層。我們比較了如圖3所示的不同尺寸從200μm×200μm到5μm×5μm的電極位點(diǎn)（n=8）的平均阻抗。具有3D微錐的電極在所有足跡尺寸下，無(wú)論是金還是PEDOT:PSS表面處理，都顯示出顯著的阻抗降低。與金電極相比，PEDOT:PSS涂層進(jìn)一步降低了3D微錐電極的阻抗，這與之前的觀察結(jié)果一致。對(duì)于10μm×10μm的電極位點(diǎn)，PEDOT:PSS涂層的3D微錐電極與平面金電極相比，阻抗降低了99.3%。制造的具有PEDOT:PSS涂層的最小3D微錐電極，尺寸為5μm×5μm，平均阻抗為146.5 kOhm；這相當(dāng)于80μm×80μm 2D金電極的阻抗。

圖3.1kHz下八個(gè)不同足跡面積的的平均阻抗，以展示3D結(jié)構(gòu)和多孔PEDOT:PSS涂層的改進(jìn)（n=8）。

我們進(jìn)一步通過(guò)比較平面金電極與具有代表性足跡尺寸的3D PEDOT:PSS涂覆微錐電極之間的電化學(xué)阻抗譜（EIS）結(jié)果，驗(yàn)證了阻抗的降低，如圖4所示。實(shí)驗(yàn)在鹽溶液中進(jìn)行，使用Ag/AgCl參比電極和鉑網(wǎng)對(duì)電極的3電極系統(tǒng)。阻抗幅值的變化與我們1 kHz下的結(jié)果一致，因?yàn)?D微錐加上PEDOT涂層在測(cè)試的頻率范圍從0.1 Hz到100 kHz內(nèi)，對(duì)于所有尺寸都顯著降低了阻抗值。

圖4.對(duì)四種不同足跡尺寸的3D PEDOT:PSS涂覆微電極和2D金微電極進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜（EIS）測(cè)量。

循環(huán)伏安法測(cè)量也使用同樣的三電極裝置進(jìn)行，以確定制造的3D微錐電極的充電存儲(chǔ)容量（CSC）。圖5展示了足跡為200μm×200μm的3D微錐電極的CV結(jié)果，計(jì)算得到的CSC為34.2 mC/cm^(-2)。這證明了其用于刺激應(yīng)用的可行性，所測(cè)得的CSC與已發(fā)表的一些刺激電極相比具有可比性或更優(yōu)。

圖5.在生理鹽水中，對(duì)邊長(zhǎng)為200微米的PEDOT:PSS涂覆3D電極進(jìn)行循環(huán)伏安法測(cè)量，掃描速率為100 mV/s。

3.2肌電圖測(cè)量與數(shù)據(jù)分析

使用帶有微錐的制造的3D MEAs來(lái)記錄麻醉小鼠的二腹肌的肌電活動(dòng)。所有程序均得到埃默里大學(xué)機(jī)構(gòu)動(dòng)物關(guān)懷和使用委員會(huì)的批準(zhǔn)。在成年C57BL/6J雄性小鼠（2只）被麻醉到適當(dāng)深度（4%（體積比）異氟醚氧氣氣體）后，在下頜下做一切口，并去除皮膚以暴露二腹肌。將電極陣列放置在肌肉表面，通過(guò)Omnetics連接器收集自發(fā)發(fā)生的運(yùn)動(dòng)單位活動(dòng)，該連接器與一個(gè)包含數(shù)字放大器的32通道RHD記錄頭stage（RHD2132；Intan Technologies）接口。肌電信號(hào)通過(guò)RHD USB接口板（部件C3100；Intan Technologies）在計(jì)算機(jī)上以30 Hz的頻率記錄，使用標(biāo)準(zhǔn)方法識(shí)別不同運(yùn)動(dòng)單位的光譜，這些方法使用主成分分析（PCA）和k-means對(duì)形狀相似的波形進(jìn)行聚類(lèi)。每個(gè)尖峰簇的幅度是通過(guò)測(cè)量該簇中每個(gè)波形的平均峰值來(lái)測(cè)量的。每個(gè)通道的噪聲水平是通過(guò)信號(hào)不包含任何尖峰的一分鐘段的均方根（RMS）來(lái)測(cè)量的。然后通過(guò)將每個(gè)尖峰簇的幅度除以相應(yīng)通道的噪聲水平來(lái)計(jì)算每個(gè)尖峰的信噪比（SNR）。

[SNR=left|frac{V_{peak}}{noiseRMS}right|](1)

使用低阻抗的3D MEAs，成功從小鼠身上獲得了高質(zhì)量的肌電圖記錄，其中檢測(cè)到了單個(gè)和多個(gè)運(yùn)動(dòng)單位（圖6）。在單個(gè)運(yùn)動(dòng)單位記錄中，設(shè)備能夠檢測(cè)到動(dòng)作電位時(shí)間和幅度的微小差異，這表明電極具有高時(shí)間和空間分辨率，可以區(qū)分電極接觸點(diǎn)相對(duì)于活動(dòng)肌肉纖維的不同位置。這些通道間的變化允許從單個(gè)記錄中隔離多個(gè)運(yùn)動(dòng)單位。多個(gè)運(yùn)動(dòng)單位的記錄進(jìn)一步顯示，與其它論文相比，我們的設(shè)備具有顯著更高的信噪比。對(duì)于尖峰較小的運(yùn)動(dòng)單位，我們實(shí)現(xiàn)了平均信噪值203.3，而對(duì)于尖峰較大的運(yùn)動(dòng)單位，平均信噪值為447.3（圖6(b)頂部）。

圖6.高分辨率肌電圖記錄與微錐MEA。(a)從小鼠二腹肌記錄的單個(gè)運(yùn)動(dòng)單位示例。在這里，大約有電極陣列32個(gè)通道的一半檢測(cè)到了單個(gè)動(dòng)作電位。(b)從單個(gè)MEA通道記錄的多個(gè)運(yùn)動(dòng)單位。頂部，在二腹肌上記錄的一個(gè)時(shí)期，兩個(gè)不同的運(yùn)動(dòng)單位同時(shí)被記錄，它們可以通過(guò)不同的幅度在視覺(jué)上區(qū)分。底部，三個(gè)單個(gè)尖峰及其相應(yīng)信噪比值的細(xì)節(jié)。

四、結(jié)論

在這篇論文中，我們介紹了一種具有3D微錐和PEDOT:PSS涂層的柔性且生物相容的微電極陣列，該陣列在活體實(shí)驗(yàn)中提供了高信噪比。通過(guò)提出的創(chuàng)新制造工藝，我們使用光定義型聚酰亞胺構(gòu)建了微錐，使得有效表面積增加了高達(dá)250%。對(duì)各種尺寸的電極進(jìn)行了電化學(xué)表征，其中我們?cè)O(shè)備的阻抗在測(cè)試頻率范圍內(nèi)始終優(yōu)于基準(zhǔn)設(shè)備。特別是，在1kHz時(shí)的阻抗降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。循環(huán)伏安法的結(jié)果顯示，200μm×200μm電極的CSC值為34.2 mC/cm^(2)，這表明其具有刺激應(yīng)用的潛力。三維微錐電極成功植入小鼠二腹肌以獲取急性數(shù)據(jù)，通過(guò)多個(gè)運(yùn)動(dòng)單位記錄測(cè)得信噪比為447.3。憑借實(shí)現(xiàn)的高信噪比，我們的設(shè)備為成功獲取和分析單個(gè)運(yùn)動(dòng)單位活動(dòng)提供了一種有前景的方法。