软多模态光电阵列接口：实现体内心脏功能多参数映射的创新技术

本文介绍了一种软多模态光电阵列接口，能对心脏功能进行多参数体内映射。该技术整合了透明微电极、发光二极管（μ-LEDs）、光电二极管（μ-PDs）和光学滤波器，可同时监测电兴奋、钙动态等，为心脏研究和临床诊疗提供了有力工具。

　　### 引言
心脏病是全球主要致死病因之一，其复杂的病理生理学促使人们开发先进技术来研究心脏功能。软微电极阵列（MEAs）虽能监测心肌细胞生理特性，但无法提供钙等关键生物物理参数信息。光学映射可记录这些参数，但体内心脏光学映射面临心跳运动伪影、荧光染料毒性和光谱重叠等挑战。因此，结合电学和光学方法进行心脏生理学多参数研究具有重要意义。本文介绍的多模态、多通道、软性光电心脏映射设备，有望解决这些问题。

结果

1. 软多模态光电阵列设备的设计与制造：该设备由透明聚对苯二甲酸乙二酯（PET）基板、透明 SU - 8 平面化 / 绝缘 / 封装层、蓝色 μ - LEDs、带光学滤波器的 μ - PDs 和透明 Au - Ag 纳米线（NW）微电极组成。一个 μ - LED 与一个 μ - PD 相邻形成光学记录对，微电极位于其上方，中心对齐，便于从同一位置记录和关联电信号和光信号。设备制造过程包括在玻璃载体上层压 PET 基板、制作互连层、转移印刷 μ - LEDs 和 μ - PDs、制作光学滤波器、图案化微电极等步骤。
2. 软多模态光电阵列设备的表征：通过调整 Au 壳厚度可调节微电极的光学和电化学性能。Au - Ag NW - 10 微电极在 400 - 800nm 范围内光学透过率超 80%，1kHz 电化学阻抗为 7.0 ± 0.14 千欧，性能优于许多现有透明微电极。光学滤波器能有效阻挡蓝色 μ - LED 激发光，使 μ - PDs 对 520nm 绿色荧光具有高波长选择性。设备可稳定记录电信号和钙荧光信号，在 5mm 弯曲半径下循环弯曲 4000 次性能稳定，μ - LEDs 发热导致的温度升高低于可接受范围，且具有无线兼容性。
3. 多参数心脏生理映射的离体验证：在表达 GCaMP6f 的离体 Langendorff 灌注小鼠心脏上进行实验，验证了设备的多参数映射能力。设备记录的电信号、光学动作电位（OAP）和钙荧光信号与互补金属氧化物半导体（CMOS）成像相机记录的结果高度相关，测量的动作电位持续时间（APD₈₀）和钙瞬变持续时间（CaTD₈₀）等参数与 CMOS 成像相机无显著差异，还能准确捕捉电压 - 钙延迟等信息，展示了设备在监测心脏生理方面的准确性和能力。
4. 心脏电生理、钙动态和兴奋 - 收缩偶联的体内映射：在体内开胸实验中，设备成功捕捉到心脏激活的时空传播，不同心脏状态下（如窦性心律、起搏和二度房室传导阻滞）APD₈₀、CaTD₈₀和电压 - 钙延迟等参数发生变化，表明设备能在体内动态监测心脏功能。此外，设备植入小鼠皮下的生物相容性测试显示，Ag 离子浸出少，组织学评估无明显不良反应，证明其生物相容性良好。
5. 药物干预期间心脏生理的多参数映射：给予心脏 1μM 维拉帕米（一种 L 型钙通道阻滞剂）后，设备监测到钙瞬变上升时间延长，其他参数变化不明显；给予不同剂量的吡那地尔（一种非选择性 ATP 敏感钾通道开放剂）后，APD₈₀和 CaTD₈₀缩短，且剂量越高变化越明显。这些结果表明设备可用于体内药物安全性和疗效筛选。

讨论

本文展示的软多模态光电阵列平台可实现心脏电生理特性、钙动态和兴奋 - 收缩偶联的多参数共定位映射。未来发展方向包括开发完全可拉伸设备、增加通道数量、调整光学元件以监测心脏代谢、整合应变传感器或电起搏功能等，有望为心脏功能和疾病机制研究以及临床诊疗提供更强大的工具。

材料与方法

1. 软多模态光电阵列的制造：详细介绍了设备制造过程，包括 PET 基板处理、SU - 8 层制作、互连层蒸发、μ - LEDs 和 μ - PDs 安装、光学滤波器制作、微电极图案化和 Au 电镀等步骤。
2. 无线电路设计与组装：柔性印刷电路板（fPCB）设计制造过程，包括使用 EAGLE 软件设计、印刷电路板制造公司制作、焊膏沉积和电路元件安装等。
3. 光学、电学和光电测量：使用各种仪器对微电极和光学滤波器的透光率、μ - LEDs 和 μ - PDs 的电流 - 电压特性、μ - PDs 的外部量子效率（EQE）等进行测量。
4. 电化学阻抗谱（EIS）测量：在磷酸盐缓冲盐水（PBS）中通过三电极配置在 1Hz - 100kHz 频率范围内测量微电极的电化学阻抗。
5. 台式和形态学测量：进行台式电信号和荧光信号记录、设备机械柔韧性测试、温度变化监测、微电极形态和成分分析以及 Ag 离子浓度测量。
6. 动物实验：动物实验遵循相关机构批准的方案，使用特定小鼠模型进行离体和体内电光学映射实验，并进行生物相容性测试。
7. 数据采集与处理：使用 Intan RHS 刺激 / 记录系统记录电信号和光信号，采样率为 20kHz，通过自定义 MATLAB 程序进行数据后处理。
8. 统计分析：数据以平均值 ± 标准差表示，使用两样本 t 检验或单因素方差分析（ANOVA）进行组间比较，P < 0.05 认为差异具有统计学意义。