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本文综述了过去五年刚性和柔性微电极阵列（MEAs）的进展。介绍了刚性 MEAs（2D、3D）和柔性 MEAs 的结构、原理、应用，探讨了其局限与未来发展，对深入了解电生理测量技术意义重大。
引言
细胞活动对维持人体组织器官正常功能至关重要，研究细胞有助于深入了解人体奥秘。在众多细胞检测方法中，电生理测量凭借能精准实时检测电信号的优势脱颖而出。该技术聚焦于记录细胞的胞外场电位和胞内动作电位，检测数据质量很大程度上依赖检测设备性能 。高信噪比（SNR）和高通量信号能获取更详细信息，因此检测设备的制造与优化意义非凡。
传统的膜片钳技术虽能高保真记录动作电位，但操作繁琐、通量低，难以进行长期并行测量。基于电压敏感染料（VSDs）或荧光蛋白（VSFPs）的光学测量可高通量检测细胞和小组织构建体，却存在光毒性问题，而且难以获取电压实际值，还受药物不良反应或基因传递成功率限制。场效应晶体管（FETs）虽能以多种策略检测胞内信号，但成本高、制造工艺复杂，无法大规模应用。
相比之下，微电极阵列（MEAs）因成本低、实用性强备受关注。它能进行无创长期测量，且可根据测量需求设计多种类型。评估 MEAs 性能时，高灵敏度和高 SNR 是关键。SNR 受电极阻抗、细胞与电极间膜电阻、密封电阻等多种因素影响，其中电极阻抗影响信号传输和测量质量，还可能引入额外噪声。MEA 的阻抗和生物相容性与结构设计、材料选择紧密相关，常用金或铂等生物相容性好的材料制作，以保证细胞在电极上长期培养的活性。随着 MEA 尺寸缩小，阻抗增加会降低电生理记录的 SNR，可通过用铂黑或碳纳米管等材料修饰电极表面，增大电极比表面积、降低阻抗、提高 SNR 。MEAs 根据硬度可分为刚性和柔性两类，刚性 MEAs 又可细分为二维（2D）和三维（3D）形式，柔性 MEAs 结构多变。
刚性微电极阵列
二维微电极阵列的结构和原理
2D MEAs 的设计和制造流程相对成熟，早在 21 世纪初就有低阻抗、高灵敏度的设计应用。经过不断优化，2D MEAs 性能卓越且性价比高。然而，其有限的平面界面表面积使其在测量三维结构器官或细胞动力学时存在困难。
三维微电极阵列
为解决 2D MEAs 的局限性，3D MEAs 应运而生并得到广泛应用。与 2D MEAs 相比，3D MEAs 提供了更大的表面积。获取数据的质量与耦合常数密切相关，耦合常数缺失会导致 MEAs 与细胞间信号失真。2D MEAs 擅长测量组织切片，而 3D MEAs 在测量具有复杂三维结构的器官或细胞动态变化方面更具优势。
柔性微电极阵列
柔性 MEAs，也叫软性 MEAs，近年来发展迅速，相比刚性 MEAs 更具创新性。刚性 MEAs 在检测整个器官时有时具有一定侵入性，例如检测心脏时，心跳会影响其检测效率。而柔性 MEAs 检测数据精度高，且柔性电子学的兴起加速了其发展。与刚性 MEAs 不同，柔性 MEAs 结构不再传统，能更好地贴合复杂组织器官表面，在生物医学检测中展现出独特优势。
展望
未来，MEAs 尤其是柔性 MEAs 在设计和优化方面面临诸多挑战，也蕴含巨大潜力。优化结构、简化制造工艺、提升性能是关键。高 SNR 和灵敏度对于探索亚阈值活动中的详细信息不可或缺。随着各种复杂三维结构 MEAs 的发展，需要新颖且低成本的制造方法。
结论
本文回顾了过去五年刚性和柔性 MEAs 的发展历程，简要介绍了各类 MEAs（包括刚性和柔性）的应用与优势。在刚性 MEAs 部分，讨论了 3D MEAs 的几何结构和材料，并重点阐述了 2D 和 3D MEAs 的应用。柔性 MEAs 作为较新的研究领域，探讨了其结构和材料，展示了其在心脏测量和神经测量等方面的应用。
