Top期刊 | DGIST和MIT等多家机构联合提出基于PDMS的ECoG电极阵列

脑电极在测量大脑活动和将大脑与机器连接方面发挥着关键作用。然而，现有的大脑电极要么是由必须植入大脑的硬材料制成的，比如半导体电路芯片的材料硅，要么是由薄塑料聚合物制成的。这种材料的灵活性有限，或者由于使用薄材料以确保灵活性所产生的安全问题而不能长时间使用。

为此，开发一种柔软弹性，且灵活安全的脑电极材料对于脑电极的发展和应用将非常的有必要。

韩国科学技术院(DGIST)和MIT等机构的研究团队联合开发出了一种使用柔软弹性材料的高耐久性脑电极技术。该技术有望应用于需要连接大脑和机器的各个领域，例如需要长期植入的治疗脑部疾病的电极。

下图为由两种不同方法处理的PDMS衬底的ECoG电极阵列，其中图(a)基于表面处理过的 PDMS衬底制作ECoG电极阵列：第一步：PDMS 旋涂；第二步：parylene-C 沉积，形成parylene-deposited PDMS；第三步：O2 等离子刻蚀，形成parylene-filled PDM；第四步：金属图案化；第五步：绝缘和分离。植入前（b）和植入后（c）完成的ECoG电极装置。比例尺为 2.5 毫米。

图1. 经两种不同方法处理的PDMS衬底的ECoG电极阵列

研究人员为了验证他们所开发的ECoG电极阵列的机械性能，他们进行了拉伸试验(图2a)。(a) 样品在拉伸测试中的照片，拉伸应变分别为 0% 和 100%。(b)-(e) 分别为样品 A-D 的应力-应变曲线。灰圈表示老化前的测量值，彩色方框表示老化后的测量值。研究结果表明，聚苯乙烯填充的PDMS的拉伸性能略高于聚苯乙烯沉积的PDMS，表现为更高的断裂应变。这些结果表明，聚苯乙烯填充的PDMS的初始机械性能比聚苯乙烯沉积的PDMS更接近生物组织的机械性能。

图 2. 基于两种不同处理的PDMS衬底的ECoG电极阵列的长期机械性能。

DGIST的Kim Sohee教授等人利用一种比塑料聚合物柔软得多的橡胶弹性材料，开发出了能极好地粘附在弯曲蜿蜒的大脑表面、厚度只有几十微米的脑电极，大大方便了操作。

尽管这些脑电极是由柔软而有弹性的材料组成，具有与脑组织相似的机械和物理特性，但它们在人体环境中的稳定性一直受到质疑。研究人员通过8个月的加速老化实验证实，这种电极即使在体内长期使用，也能保持测量大脑信号的性能。

图5 用ECoG电极阵列对猴子皮肤进行机械刺激时的SEP记录。

上图中(a)慢性SEP记录示意图。(b)植入初级体感皮层手部区域的EcoG电极阵列的照片(S1)。使用连接到地面的螺钉将屏蔽结构固定在头骨上。比例尺为5mm。(c)记录掌部不同压力水平下的SEPs值。标尺表示0.2 s的时间和100 μV的振幅。(d)施加10 g力于D5指尖和手掌中心所诱发的SEPs的空间分布。(e)电极的位置以及猴子大脑的图谱。记录D5和手掌刺激引起的SEPs的电极分别以绿色和蓝色突出显示。(f) 12周内诱发SEPs的空间分布。(g)施加10 g的力所引起的SEPs振幅。

研究人员表示：“我们研制的脑电极因其柔软、灵活的特性，可以很好地粘附在大脑的弯曲表面，而且在多种离子和水存在的人体环境中也能保持稳定的性能。它可以被用作不侵犯脑组织的脑机接口(BCI)的关键技术，以及需要长期使用数年的电子医疗设备。”

参考文献：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925400523018178?via%3Dihub

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