斯坦福大学鲍哲南PNAS：用于生物学电生理记录的导电软微柱电极阵列

【引言】

高质量和可靠的电生理记录在神经系统和心脏系统的研究中至关重要，因此得到了广泛的应用。为了实现精确的电生理测量，需要高阻封接以防止漏电流和细胞-电极间隙的低阻抗。最近研究的3D电极，与传统的平面电极阵列相比，这些3D电极的多电极阵列（MEA）可以测得更加高质量的生物电信号。电极的3D几何形状能够通过增加电极表面积来降低电极阻抗，并诱导细胞吞噬电极，从而与细胞膜形成良好的密封。然而，传统导体制备的3D电极的杨氏模量（大于数百GPa）比生电细胞和组织（1-100kPa）高几个数量级，导致细胞-电极界面处的显着机械失配。最近的研究表明，细胞外界局部的机械信号，如界面材料的杨氏模量和表观刚度，可以转化为生化信号。因此，除了电极材料的电化学性质之外，在设计电极-细胞界面时，还必须考虑电极的力学性能。

【成果简介】

近日，在斯坦福大学鲍哲南教授和崔便晓副教授团队（共同通讯作者）带领下，开发了一种高导电性、水稳定性、生物相容性、类似生物组织的杨氏模量的水凝胶:导电水凝胶（ECH）。在这项工作中，团队使用该材料制作3D，基于水凝胶的软微柱电极阵列（ECH-MEAs），用于单细胞，细胞膜外电生理记录。观察到柔软的软微柱电极跟随心肌细胞的收缩-松弛周期弯曲，从而最大限度地减少了对细胞自然、有节奏的收缩的任何障碍。为了制备ECH-MEA，使用用电离子液体改性的聚（3,4-亚乙二氧基噻吩）聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS）ECH作为电极材料。60个ECH微柱被光刻成图案阵列，每个ECH微柱直径为3μm。每个微柱可独立寻址，并通过印刷电路板连接到多通道电生理系统。相关成果以题为“Soft conductive micropillar electrode arrays for biologically relevant electrophysiological recording”发表在了PANS上。

【图文导读】

图1 软导电水凝胶微柱阵列及其制造过程的示意图

（A）具有ECH微柱电极的软MEA，用于心肌细胞的电生理记录。水凝胶微柱弯曲吞噬心肌细胞，减少对心肌细胞搏动的扰动。 

（B）ECH微柱电极阵列的制造工艺

图2 软ECH微柱微观表征

（A）软ECH微柱（左）和带有ECH微柱电极阵列的软MEA。脱水ECH微柱电极阵列（中）的假色SEM图。（比例尺：50μm）。在铂互连（高度1.8μm; 直径3μm）顶部成图案的脱水ECH微柱（右）的放大SEM图。（比例尺：5μm。）黄色：脱水的ECH微柱。绿色：由SiO₂覆盖的铂。浅蓝色：SiO₂基板。 

（B）通过浸泡在PBS中形成ECH微柱的示意图。ECH在垂直于平面各向异性地膨胀，并且在注入PBS溶液（10μL）期间ECH微柱弯曲并旋转。 

（C）当注入10μL PBS溶液时，ECH微柱弯曲和旋转的光学显微镜图像。（比例尺：5μm。）

图3 使用ECH微柱的电生理记录

（A,B）常规IrO_x微柱（顶部）和相同直径3μm的软ECH微柱（底部）电极对心肌细胞进行细胞外记录。 

（C,D）软ECH与IrO_x微柱的（C）信号幅度和（D）信号-噪声比。 

（E）在电生理学相关频率下，相同直径的IrO_x微柱与ECH微柱的电化学阻抗谱比较。

 图4 ECH模拟软组织的力学微环境

（A）比较模拟软组织的力学微环境ECH与传统3D电极阵列 MEA的膜外电生理信号幅度和杨氏模量。 ECH微柱的杨氏模量比Au蘑菇形微电极，SiO₂/Pt纳米电极，IrO_x微电极和Pt纳米电极相比的杨氏模量低， 并且接近细胞的杨氏模量。

（B）YAP/TAZ在细胞核如细胞质内的亚细胞分布情况，通过对比玻璃和ECH上的免疫荧光图像。（比例尺：5μm）

（C）荧光强度的定量分析与玻璃板相比，在ECH板上的细胞中，YAP/TAZ在细胞质中的分布比例更高。

（D）YAP/TAZ在细胞核和细胞质之间免疫荧光强度比的统计分析。

【小结】

总之，这项工作铺垫了柔性电子兼具导电和离子导电的ECH微柱电极在生物相关电生理测量中广阔的应用前景。团队已经成功地开发了一种简单的制造工艺，使导电水性微柱电极具有高纵横比。这是通过使用PEDOT：PSS的ECH的独特的各向异性膨胀特性实现的。 与常规使用的相同直径的氧化铱微柱相比，团队制作的ECH微柱电极具有更高的信噪比和更强的信号强度。更重要的是，ECH微柱显著减少了电极-细胞界面的机械失配，实现了具有组织力学性能的3D微电极。

文献链接：Soft conductive micropillar electrode arrays for biologically relevant electrophysiological recording（PANS, 2018, DOI: 10.1073/pnas.1810827115）

本文由材料人编辑部学术组木文韬翻译，材料牛整理编辑。

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