三、特性表征與肌電圖測量

3.1電化學特性表征

為了評估增加的3D結構和多孔PEDOT:PSS涂層的優(yōu)勢，我們在生理鹽水溶液（0.9%NaCl）中使用Ag/AgCl參比電極，在2電極設置中獲得了平面和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（n=8）的平均阻抗。具有3D微錐的電極在所有足跡尺寸下，無論是金還是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涂層進一步降低了3D微錐電極的阻抗，這與之前的觀察結果一致。對于10μm×10μm的電極位點，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；這相當于80μm×80μm 2D金電極的阻抗。

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

我們進一步通過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阻抗譜（EIS）結果，驗證了阻抗的降低，如圖4所示。實驗在鹽溶液中進行，使用Ag/AgCl參比電極和鉑網(wǎng)對電極的3電極系統(tǒng)。阻抗幅值的變化與我們1 kHz下的結果一致，因為3D微錐加上PEDOT涂層在測試的頻率范圍從0.1 Hz到100 kHz內(nèi)，對于所有尺寸都顯著降低了阻抗值。

圖4.對四種不同足跡尺寸的3D PEDOT:PSS涂覆微電極和2D金微電極進行電化學阻抗譜（EIS）測量。

循環(huán)伏安法測量也使用同樣的三電極裝置進行，以確定制造的3D微錐電極的充電存儲容量（CSC）。圖5展示了足跡為200μm×200μm的3D微錐電極的CV結果，計算得到的CSC為34.2 mC/cm^(-2)。這證明了其用于刺激應用的可行性，所測得的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，對邊長為200微米的PEDOT:PSS涂覆3D電極進行循環(huán)伏安法測量，掃描速率為100 mV/s。

3.2肌電圖測量與數(shù)據(jù)分析

使用帶有微錐的制造的3D MEAs來記錄麻醉小鼠的二腹肌的肌電活動。所有程序均得到埃默里大學機構動物關懷和使用委員會的批準。在成年C57BL/6J雄性小鼠（2只）被麻醉到適當深度（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Omnetics連接器收集自發(fā)發(fā)生的運動單位活動，該連接器與一個包含數(shù)字放大器的32通道RHD記錄頭stage（RHD2132；Intan Technologies）接口。肌電信號通過RHD USB接口板（部件C3100；Intan Technologies）在計算機上以30 Hz的頻率記錄，使用標準方法識別不同運動單位的光譜，這些方法使用主成分分析（PCA）和k-means對形狀相似的波形進行聚類。每個尖峰簇的幅度是通過測量該簇中每個波形的平均峰值來測量的。每個通道的噪聲水平是通過信號不包含任何尖峰的一分鐘段的均方根（RMS）來測量的。然后通過將每個尖峰簇的幅度除以相應通道的噪聲水平來計算每個尖峰的信噪比（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，其中檢測到了單個和多個運動單位（圖6）。在單個運動單位記錄中，設備能夠檢測到動作電位時間和幅度的微小差異，這表明電極具有高時間和空間分辨率，可以區(qū)分電極接觸點相對于活動肌肉纖維的不同位置。這些通道間的變化允許從單個記錄中隔離多個運動單位。多個運動單位的記錄進一步顯示，與其它論文相比，我們的設備具有顯著更高的信噪比。對于尖峰較小的運動單位，我們實現(xiàn)了平均信噪值203.3，而對于尖峰較大的運動單位，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運動單位示例。在這里，大約有電極陣列32個通道的一半檢測到了單個動作電位。(b)從單個MEA通道記錄的多個運動單位。頂部，在二腹肌上記錄的一個時期，兩個不同的運動單位同時被記錄，它們可以通過不同的幅度在視覺上區(qū)分。底部，三個單個尖峰及其相應信噪比值的細節(jié)。

四、結論

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，該陣列在活體實驗中提供了高信噪比。通過提出的創(chuàng)新制造工藝，我們使用光定義型聚酰亞胺構建了微錐，使得有效表面積增加了高達250%。對各種尺寸的電極進行了電化學表征，其中我們設備的阻抗在測試頻率范圍內(nèi)始終優(yōu)于基準設備。特別是，在1kHz時的阻抗降低了兩個數(shù)量級。循環(huán)伏安法的結果顯示，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)，通過多個運動單位記錄測得信噪比為447.3。憑借實現(xiàn)的高信噪比，我們的設備為成功獲取和分析單個運動單位活動提供了一種有前景的方法。