斯坦福大學鮑哲南PNAS：用于生物學電生理記錄的導電軟微柱電極陣列

【引言】

高質量和可靠的電生理記錄在神經系統和心臟系統的研究中至關重要，因此得到了廣泛的應用。為了實現精確的電生理測量，需要高阻封接以防止漏電流和細胞-電極間隙的低阻抗。最近研究的3D電極，與傳統的平面電極陣列相比，這些3D電極的多電極陣列（MEA）可以測得更加高質量的生物電信號。電極的3D幾何形狀能夠通過增加電極表面積來降低電極阻抗，并誘導細胞吞噬電極，從而與細胞膜形成良好的密封。然而，傳統導體制備的3D電極的楊氏模量（大于數百GPa）比生電細胞和組織（1-100kPa）高幾個數量級，導致細胞-電極界面處的顯著機械失配。最近的研究表明，細胞外界局部的機械信號，如界面材料的楊氏模量和表觀剛度，可以轉化為生化信號。因此，除了電極材料的電化學性質之外，在設計電極-細胞界面時，還必須考慮電極的力學性能。

【成果簡介】

近日，在斯坦福大學鮑哲南教授和崔便曉副教授團隊（共同通訊作者）帶領下，開發了一種高導電性、水穩定性、生物相容性、類似生物組織的楊氏模量的水凝膠:導電水凝膠（ECH）。在這項工作中，團隊使用該材料制作3D，基于水凝膠的軟微柱電極陣列（ECH-MEAs），用于單細胞，細胞膜外電生理記錄。觀察到柔軟的軟微柱電極跟隨心肌細胞的收縮-松弛周期彎曲，從而最大限度地減少了對細胞自然、有節奏的收縮的任何障礙。為了制備ECH-MEA，使用用電離子液體改性的聚（3,4-亞乙二氧基噻吩）聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT：PSS）ECH作為電極材料。60個ECH微柱被光刻成圖案陣列，每個ECH微柱直徑為3μm。每個微柱可獨立尋址，并通過印刷電路板連接到多通道電生理系統。相關成果以題為“Soft conductive micropillar electrode arrays for biologically relevant electrophysiological recording”發表在了PANS上。

【圖文導讀】

圖1?軟導電水凝膠微柱陣列及其制造過程的示意圖

（A）具有ECH微柱電極的軟MEA，用于心肌細胞的電生理記錄。水凝膠微柱彎曲吞噬心肌細胞，減少對心肌細胞搏動的擾動。?

（B）ECH微柱電極陣列的制造工藝

圖2?軟ECH微柱微觀表征

（A）軟ECH微柱（左）和帶有ECH微柱電極陣列的軟MEA。脫水ECH微柱電極陣列（中）的假色SEM圖。（比例尺：50μm）。在鉑互連（高度1.8μm;?直徑3μm）頂部成圖案的脫水ECH微柱（右）的放大SEM圖。（比例尺：5μm。）黃色：脫水的ECH微柱。綠色：由SiO₂覆蓋的鉑。淺藍色：SiO₂基板。?

（B）通過浸泡在PBS中形成ECH微柱的示意圖。ECH在垂直于平面各向異性地膨脹，并且在注入PBS溶液（10μL）期間ECH微柱彎曲并旋轉。?

（C）當注入10μL?PBS溶液時，ECH微柱彎曲和旋轉的光學顯微鏡圖像。（比例尺：5μm。）

圖3?使用ECH微柱的電生理記錄

（A,B）常規IrO_x微柱（頂部）和相同直徑3μm的軟ECH微柱（底部）電極對心肌細胞進行細胞外記錄。?

（C,D）軟ECH與IrO_x微柱的（C）信號幅度和（D）信號-噪聲比。?

（E）在電生理學相關頻率下，相同直徑的IrO_x微柱與ECH微柱的電化學阻抗譜比較。

?圖4?ECH模擬軟組織的力學微環境

（A）比較模擬軟組織的力學微環境ECH與傳統3D電極陣列?MEA的膜外電生理信號幅度和楊氏模量。?ECH微柱的楊氏模量比Au蘑菇形微電極，SiO₂/Pt納米電極，IrO_x微電極和Pt納米電極相比的楊氏模量低，?并且接近細胞的楊氏模量。

（B）YAP/TAZ在細胞核如細胞質內的亞細胞分布情況，通過對比玻璃和ECH上的免疫熒光圖像。（比例尺：5μm）

（C）熒光強度的定量分析與玻璃板相比，在ECH板上的細胞中，YAP/TAZ在細胞質中的分布比例更高。

（D）YAP/TAZ在細胞核和細胞質之間免疫熒光強度比的統計分析。

【小結】

總之，這項工作鋪墊了柔性電子兼具導電和離子導電的ECH微柱電極在生物相關電生理測量中廣闊的應用前景。團隊已經成功地開發了一種簡單的制造工藝，使導電水性微柱電極具有高縱橫比。這是通過使用PEDOT：PSS的ECH的獨特的各向異性膨脹特性實現的。?與常規使用的相同直徑的氧化銥微柱相比，團隊制作的ECH微柱電極具有更高的信噪比和更強的信號強度。更重要的是，ECH微柱顯著減少了電極-細胞界面的機械失配，實現了具有組織力學性能的3D微電極。

文獻鏈接：Soft conductive micropillar electrode arrays for biologically relevant electrophysiological recording（PANS, 2018, DOI: 10.1073/pnas.1810827115）

本文由材料人編輯部學術組木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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