基于黑铂功能化激光诱导石墨烯的单步成型生物相容性神经电极及其在体电生理记录应用

本刊推荐：本研究创新性地利用CO2激光直写技术，在聚酰亚胺基底上单步制备具有黑铂（black-Pt）功能化的激光诱导石墨烯（LIG）神经电极。该方法摒弃传统光刻工艺，通过喷涂生物相容性润滑剂实现绝缘封装，仅需5小时即可完成脑电图（EEG）、皮层电图（ECoG）和植入式神经探针的全流程制作，成本降低两个数量级。实验验证其在麻醉小鼠模型中可实现高保真神经信号采集，为快速定制化脑机接口（BCI）和神经监测系统提供了突破性技术方案。

　　

引言

大脑是由数千亿神经元通过生物电信号沟通形成的复杂神经网络，神经回路通过突触间的电化学传递调控认知、情感和运动等核心功能。神经电极作为探测脑内电信号的关键工具，在神经科学研究和脑机接口（BCI）领域具有不可替代的作用。当前主流的硅基神经探针和微皮层电图（micro-ECoG）阵列虽可实现高密度集成，但依赖半导体工艺和洁净室设施，存在成本高昂（单件500–1500美元）、定制化周期长（2–3周）和设计灵活性受限等问题。近年来出现的柔性印刷电路板（FPCB）和聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）等导电聚合物电极仍面临工艺复杂或机械稳定性不足的挑战。

激光诱导石墨烯（LIG）技术通过CO₂激光（波长10.6 μm）直接热解聚酰亚胺（PI）等聚合物前体，生成具有高比表面积（≈340 m² g^?1）和良好导电性（5–25 S cm^?1）的多孔石墨烯结构。该技术无需金属沉积、光刻和蚀刻步骤，已被应用于葡萄糖传感器和多巴胺检测等生物传感领域。然而，LIG电极固有的机械脆性易导致信号线路损伤，且缺乏有效的绝缘封装策略，限制了其在植入式神经接口中的应用。

结果

神经电极的制备与结构特性

研究团队开发了一种基于单台CO₂激光系统的神经电极全流程制备工艺。首先将50 μm厚聚酰亚胺薄膜通过水溶性双面胶固定在玻璃基板上，利用激光依次刻蚀信号线路、连接垫和电极区域；随后喷涂生物相容性润滑剂（氟聚合物基）形成绝缘层，经190°C热处理固化后，通过激光二次扫描选择性暴露电极位点；最后通过黑铂（black-Pt）电化学沉积提升电极导电性。该工艺可在5小时内同步制作EEG（电极直径1000 μm）、ECoG（500 μm）和植入式神经探针（100 μm）三类器件，单位成本仅为0.04–0.30美元。

扫描电子显微镜（SEM）显示激光刻蚀形成的石墨烯呈现多孔网状结构，有效增加电极比表面积。元素分散光谱（EDS）分析证实绝缘层中氟元素均匀分布。拉曼光谱显示原始LIG的D峰与G峰强度比（I_D/I_G）为0.397，电极 reopening后升至0.984，表明缺陷密度增加但电荷存储能力增强。

电学性能与机械稳定性

电化学阻抗谱（EIS）测试表明，4 mm直径电极在1 kHz频率下，原始LIG阻抗为3.14 ± 0.07 MΩ，绝缘涂层后增至35.1 ± 0.45 MΩ，激光 reopening后降至4.95 ± 0.01 MΩ。黑铂沉积进一步将神经探针电极阻抗从5.34 ± 0.49 MΩ降低至1.00 ± 0.11 MΩ（降低179倍），达到神经信号采集要求。EEG和ECoG电极在10 Hz低频区也呈现类似变化趋势。

有限元分析（FEA）模拟显示润滑剂涂层可显著降低信号线与电极连接处的应力集中。弯曲测试中，未涂层LIG结构在弯曲曲率0.01–0.1 mm^?1下电阻变化达843%，而涂层器件仅变化82%。神经探针在0.9%琼脂糖脑 phantom中经历100次插拔循环后，阻抗从962 ± 41 kΩ仅增至1.169 ± 0.04 MΩ，光学显微镜观察未发现结构损伤。

生物相容性验证

采用MTT法评估HepG2细胞活性显示，纯LIG样本细胞存活率为73.3 ± 10.6%，而添加润滑剂涂层的样本提升至90.7 ± 14.1%，符合ISO 10993-5生物相容性标准。表明绝缘层可减少活性物质释放，增强生物安全性。

在体电生理实验

通过麻醉小鼠模型验证三类电极性能：EEG电极阵列记录到麻醉状态下低频节律和间歇性 spike活动， euthanasia后信号显著衰减；频谱分析显示δ（1–4 Hz）、θ（4–8 Hz）、α（8–13 Hz）、β（13–30 Hz）和γ（30–50 Hz）频段功率均大幅下降。ECoG电极因直接接触硬脑膜，信号幅值（600 ± 5.76 mV）和信噪比（23.03 ± 0.11 dB）均高于EEG（161 ± 1.11 mV）。

神经探针植入海马CA1区（坐标：ML=-1.5 mm, AP=-1.5 mm, DV=-2.0 mm）成功采集到单神经元 spike信号，通过 spike聚类分析识别出多个神经元放电模式。与硅基神经探针对比实验表明，黑铂修饰的L探针在信号检出率和波形特征方面具有相当性能。

讨论与展望

该研究证实单步激光成型技术可快速制备定制化神经电极，兼具低成本、高生物相容性和机械稳定性优势。当前CO₂激光100 μm光斑尺寸限制了更高密度电极阵列的制作，未来采用紫外激光技术有望实现亚百微米级分辨率。该平台与多通道无线系统和电刺激组件集成后，可推动个性化闭环神经调控设备发展，在神经疾病诊断和脑机接口领域具有重要转化价值。

实验方法

激光加工采用4.7 W功率，电极区、信号线、连接垫和外形切割的扫描速度分别设置为50 mm s^?1、80 mm s^?1、75 mm s^?1和45 mm s^?1。黑铂电镀液含8%六水合氯铂酸（H₂PtCl₆）、0.025%醋酸铅和35%盐酸，在200 mV恒电位下沉积120秒。电生理信号通过RHD2000系统采集（采样率20 kS s^?1，带通滤波0.1 Hz–6 kHz）， spike排序采用MATLAB算法（阈值>30 μV）。统计分析使用GraphPad Prism 8，数据以均值±标准差表示，显著性阈值p<0.05。