美國達特茅斯學院方輝課題組近期在國際知名期刊《Biosensors and Bioelectronics》上提出一種高效的PEDOT:PSS薄膜大面積陣列級的制備方法，為微電極陣列上高均勻性規模化制備 PEDOT:PSS提供了一種可控的技術途徑，成功解決了傳統溶液涂覆法難以在微電極陣列上實現均勻鍍膜的難題。該方法通過精確控制電化學反應，利用恒電位電鍍通過電化學聚合的方式實現了PEDOT:PSS薄膜在微電極陣列上的大規模、高均勻性的高效可控沉積。這一研究進展為下一代高性能多通道神經接口器件的研發提供了有價值的參考，有望顯著提升神經生理信號采集的質量和穩定性。

研究背景

鑒于大腦神經活動的復雜性，利用大型微電極陣列（MEA）對其進行高精度記錄和刺激成為神經科學研究的熱點。例如，猶他陣列已成功應用于神經假肢，而腦皮層ECoG陣列通過解碼語句的腦信號實現了語音合成，在癲癇治療中發揮重要作用。

為了獲得高質量的神經信號，微電極的表面通常需要進行低阻抗材料涂覆。PEDOT:PSS（聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸鹽)）是一種兼具優異導電性、生物相容性和加工性的導電聚合物。然而，傳統制備方法的局限性阻礙了其在高密度神經接口中的大規模應用。如旋涂法僅適用于平坦基底，并且容易導致薄膜分層。噴墨打印方法有效性取決于墨水的物理化學性質，并且需要更長的涂覆時間且難以實現大面積均勻涂覆。

電鍍被廣泛認為是一種在微電極上沉積低阻抗材料的有效可靠方法，通常采用三電極系統。在恒電位、恒電流和循環伏安法三種模式下進行。其中，恒電位法可精細調控涂層，操作簡便，沉積時間短，適用于多種樣品。現有研究主要集中于大尺寸電極的電鍍，對于細胞尺度微電極的研究相對較少。本研究通過聚焦于細胞尺度微電極上的PEDOT:PSS電鍍，旨在提高神經信號的采集精度與信噪比，為MEA的設計和應用提供新的創新性思路。

課題組提出的恒電位電鍍方法通過電化學聚合的方式，實現了PEDOT:PSS薄膜在微電極陣列上的精準、可控高效沉積，研究通過以下三個方面深入探討PEDOT:PSS在大規模電極陣列上的電鍍制備：

1）實現細胞尺度微電極陣列（>100通道）上PEDOT:PSS的陣列范圍均勻沉積；

2）比較恒電位和恒電流兩種電鍍模式的異同點；

3）揭示恒電位電鍍方法實現均勻沉積的機理。

研究方法

---器件制備與測試---

①基底制備:將3×2英寸玻璃基底清洗并用氮氣吹干，旋涂PDMS（10:1，2000 rpm，30s）并于90°C固化1小時。隨后層壓25.4μm厚的Kapton薄膜，旋涂2μm厚的PI 2545，并按以下工藝進行固化：110°C/3min、150°C/5min、250°C/70min。

②金屬化與圖案化：在PI層上，通過電子束蒸發沉積5 nm Cr作為粘附層，隨后沉積100 nm Au作為導電層。利用光刻技術，采用S1805 G2正性光刻膠，曝光劑量為100mJ/cm2，對金屬層進行顯影圖案化。

③封裝:為了保護電極并提供絕緣，在圖案化后的金屬層上旋涂負性光刻膠SU-8 2005，并在180°C下固化30分鐘。

④激光切割:使用LPKF激光切割機在器件上切割出所需形狀，隨后將制備好的器件從PDMS基底上小心剝離。

⑤PEDOT:PSS電化學沉積：

將100 mL去離子水與3,4-乙烯二氧噻吩（EDOT）單體（0.01M）、聚(鈉-4-苯乙烯磺酸鹽)粉末（PSSNa，0.07M）混合，磁力攪拌3小時，得到PEDOT:PSS前驅液。EDOT與PSS的摩爾比為1:7。將器件置于氧等離子清洗機中，以100 W的功率處理1分鐘，以去除表面有機污染物并提高其表面潤濕性。隨后，將器件浸入PEDOT:PSS前驅液中，并連接到三電極系統。以鉑絲為對電極，Ag/AgCl為參比電極，采用恒電位法，在0.85V的電位下電沉積20 s。電沉積結束后，將器件用去離子水清洗，并用氮氣吹干。將器件的焊盤對準自制PCB上的對應焊盤，將焊接好的定制PCB與32通道Omnetics連接器連接，并使用電化學工作站（如Gamry）在0.1Hz-1MHz范圍內測量電極的阻抗譜。

⑥加速老化測試

制備好的PEDOT:PSS電極浸泡于pH 7.4的磷酸鹽緩沖溶液（PBS）中，置于67°C的恒溫箱中，進行加速老化測試。取出樣品，用去離子水沖洗，并重新測量阻抗譜。通過比較老化前后電極的阻抗變化，用以評估PEDOT:PSS膜的穩定性。

研究結果

實驗采用了 16、64 和 128 通道的微電極陣列，每個電極開口尺寸為 10 × 20 μm2 ，電極間距400μm。恒電位沉積是通過對給定陣列上的所有微電極施加恒定電位（參考Ag/AgCl 電極）進行的，利用丙酮可去除的銀漿暫時短路所有觸點。選擇 0.85 V 電位來微調電鍍沉積速率以獲得最佳的涂層形貌和附著力。

圖1.MEA恒電位和恒電流電鍍沉積PEDOT:PSS的電流密度示意圖

圖1展示了使用三電極方法在微電極陣列 (MEA) 上進行 PEDOT:PSS 電鍍的工藝，示意了恒電位與恒電流兩種代表性的電鍍模式。在恒電位沉積中，控制 WE 和 RE 之間的恒定電位差。相反，恒電流沉積以電流控制為中心，確保 WE 和 CE 之間有穩定的電流流動。團隊利用相同圖案化設計的 128 通道陣列的器件比較兩種沉積方法。

圖2展示了128通道微電極陣列的整體圖像以及部分列的放大圖像。通過對比恒電位沉積（0.85 V，20 s）和恒電流沉積（0.2 mA/cm2）的結果，可以發現恒電位沉積得到的PEDOT:PSS薄膜覆蓋均勻，厚度一致，邊緣清晰。

圖2. 128 通道微電極陣列的光學顯微圖像以及電鍍后的電極放大圖（倍率：× 400）

經過實驗測量比較得出，利用恒電位和恒電流方法得到的微電極平均阻抗較為接近，分別約為100 kΩ和120 kΩ（圖3）。

圖3.恒電位沉積的阻抗直方圖(左)；恒電流沉積的阻抗直方圖(右)

然而，恒電流沉積的微電極阻抗分布上更廣（圖4）。恒電位和恒電流方法的標準偏差分別為29.8 kΩ和168.29 kΩ，差異近5.5倍。此外，恒電流沉積組中，有多個電極的阻抗超過600 kΩ，這對于高性能神經接口不利。由此可見恒電位方法在保證大規模MEA的均勻性方面表現更優。

圖4. 使用恒電位沉積和恒電流沉積兩種方法所得到的微電極阻抗對比結果。恒電位沉積方法單個微電極的阻抗（上），使用恒電流沉積方法時單個微電極的阻抗（下）

如圖5所示，為進一步驗證上述結論，對兩種方法進行了四次重復實驗。盡管平均阻抗差異不大（恒電位和恒電流方法分別為104.31 kΩ和94.95 kΩ），但標準偏差仍存在顯著差異（分別為6.39 kΩ和43.18 kΩ），表明恒電位方法的重復性更好。

圖5.基于沉積方法的 128 通道 MEA 的平均阻抗（高斯擬合）

對不同沉積時間下的電極進行了形貌和顏色的觀察（圖6）。SEM圖像顯示，隨著沉積時間的增加，PEDOT:PSS膜的厚度和覆蓋率逐漸增加。在初始階段，PEDOT:PSS形成分形結構的顆粒。隨著沉積的進行，顆粒逐漸長大，并相互連接，形成連續的膜。PEDOT富集區域的二次電子發射能力更強，在SEM圖像中表現為亮度更高。在20秒沉積時，由于過度沉積，聚合物表面電荷積累，導致對比度降低。

圖 6. 在微電極陣列 (MEA) 上，使用不同恒電位沉積時間（0 s、5 s、10 s、15 s 和 20 s）進行光學和電化學分析的結果

為了評估恒電位沉積PEDOT:PSS微電極陣列的長期穩定性，進行了加速老化測試實驗。將制備好的微電極陣列浸泡于67℃的磷酸鹽緩沖液（PBS）中，并定期測量其阻抗和產量。產量定義為阻抗低于500 kΩ的電極占總電極數的比例。通過浸泡在67℃下9天來模擬在37℃下72天的浸泡環境。

圖7展示了同一電極在不同浸泡時間下的光學顯微鏡圖像，可見PEDOT:PSS涂層在長時間浸泡后未出現分層、剝落等現象，且顏色保持穩定。從圖7右可以看出，隨著浸泡時間的延長，電極阻抗和產量均保持穩定，表明PEDOT:PSS涂層具有良好的長期穩定性，有望被應用于長期實驗的神經電極制備。

圖 7. 在67攝氏度環境中PEDOT:PSS涂層不同浸泡天數下的光學顯微圖像（左圖）；1 kHz 電極阻抗和產量隨浸泡天數的變化（右圖）

研究結果分析

本研究主要探索了 PEDOT:PSS 涂層在大規模微電極陣列 (MEA) 上的電鍍沉積方法，以實現均勻大規模的沉積效果。通過比較恒電位沉積與恒電流沉積的差異，研究發現恒電流法容易受到電極間阻抗差異的影響（如電極面積、表面粗糙度和互連長度不同），導致電流密度分布不均勻，電流密度相對較高的電極會優先沉積PEDOT:PSS，這種更快的沉積速度反過來會進一步降低電極阻抗，促進更多的電流流動，對沉積產生正反饋導致了沉積不均勻，使得在多通道MEA 上難以實現均勻的沉積效果。

相比之下，恒電位沉積方法表現出更好的性能，可以在細胞級大小的微電極陣列上實現高度均勻且可重復的 PEDOT:PSS 涂層。這種方法能夠有效解決恒電流沉積中的電流密度分布不均勻問題，保證了沉積過程的穩定性和一致性。

研究中的系統性電化學表征結果進一步證明了恒電位沉積涂層的結構和穩定性與恒電流沉積相似。這一結果驗證了恒電位沉積方法的有效性和可行性，為神經電子接口器件的制備提供了新的技術手段。

結論（啟發展望）

本研究使用恒電位法成功解決了PEDOT:PSS在大規模微電極陣列(MEA)上實現均勻大規模電鍍的難題。在包含超過一百個細胞級大小的MEA上實現了高度均勻的PEDOT:PSS涂層。

通過詳細對比恒電位和恒電流兩種電鍍方法，深入闡明了恒電位法在實現陣列范圍均勻性及增強可擴展性方面的優勢。研究表明沉積過程高度可控，且速率與電極通量和密度密切相關。電化學分析結果顯示，兩種方法制備的PEDOT:PSS涂層電化學性質無顯著差異，但恒電流法導致樣品間差異較大。加速老化測試表明，恒電位沉積的PEDOT:PSS涂層在67℃的PBS中可穩定保存9天，展現出優異的長期穩定性。研究成果表明了恒電位電鍍是一種高效可控的大規模多通道電極陣列的沉積方法，為生物電子學領域提供了新的技術手段。

關于實驗團隊：

達特茅斯多功能集成神經電子實驗室（MINE Lab）致力于納米材料與神經界面創新研究相結合，以解決神經電子領域所面臨的重大挑戰并提供可擴展且多功能的解決方案。實驗室匯集了來自多學科領域的杰出研究人員，共同推動神經科學研究的進步。研究重點主要包括：神經腦機接口，高性能神經電子器件的合成新型電子材料的設計制備，電活性有機材料在神經界面中的應用的探索，針對神經遞質信號檢測和傳感的器件開發。如欲了解更多關于MINE Lab的信息，請訪問實驗室網站https://sites.dartmouth.edu/fang-group/

Reference

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956566324004238

DOI: 10.1016/j.bios.2024.116418

僅用于學術分享，若侵權請留言，即時刪侵！

歡迎加入腦機接口社區交流群，

探討腦機接口領域話題，實時跟蹤腦機接口前沿。

加微信群：

添加微信:RoseBCI【備注：姓名+行業/專業】。

歡迎來稿

1.歡迎來稿。投稿咨詢，請聯系微信：RoseBCI

點擊投稿：

2.加入社區成為兼職創作者，請聯系微信：RoseBCI

一鍵三連「分享」、「點贊」和「在看」

不錯過每一條腦機前沿進展