一种128通道柔性IrOx神经接口的一年评估以及一种微型化256通道集成原型的开发

《Biosensors and Bioelectronics》：One-Year Evaluation of a 128-Channel Flexible IrO x Neural Interface and Development of a Miniaturized 256-Channel Integrated Prototype

　　

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  IrO_x的改性将1 kHz阻抗从1.096 MΩ降低到了18.15 kΩ。
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  灵活的IrO_x阵列能够定期记录神经活动，最长可达12个月。
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  移除后的IrO_x电极保留了其形态和电化学功能。
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  双级键合技术在13 × 13 × 3 mm、1.03克的裸模块中整合了256个通道。
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  集成原型在体内记录了LFPs和尖峰信号，持续时间为1.5个月。

引言

高密度、长期稳定的脑机接口（BMI）的开发对于推动基础神经科学研究和临床神经假体技术至关重要[1]。为了解码复杂的神经群体动态，BMI必须同时增加记录通道的数量并保持长期的信号完整性[2][3]。然而，传统的刚性穿透型微电极阵列（如硅探头和微导线）不可避免地与柔软的脑组织产生严重的机械不匹配[4]。这种持续的微移动损伤会加剧异物反应和胶质瘢痕形成，导致记录质量在长期植入期间迅速下降[1][4][5]。 为了解决机械顺应性问题，基于聚合物基底（如聚酰亚胺（PI）或Parylene-C）的柔性神经探针成为了一个有前景的替代方案[6][7]。此外，使用先进的纳米材料（特别是溅射氧化铱（IrO_x）对表面进行改性，可以显著提高电化学活性表面积并降低界面阻抗[4][7][8][9]。尽管在这些材料方面取得了进展，但在腐蚀性的体内环境中实现功能性记录位置的超长期生存（例如超过一年）同时保持柔性探针的物理完整性仍然是一个工程挑战，这一挑战在大型动物模型中很少得到验证[5][10][11]。 除了探针本身的稳定性外，扩展到高密度柔性阵列还会遇到严重的系统级瓶颈，尤其是在电气互连和微封装方面。依赖传统商用印刷电路板（PCB）和芯片的高通道数系统体积过大，对自由移动的受试者造成了物理限制[12][13][14][15]。最近，如Neuralink的N1和StairMed的128通道系统等先进植入物已经减少了植入体积，实现了系统的小型化[16][17][18][19][20]。为了进一步提高密度，我们的工作将通道数增加到了256个。要在保持紧凑尺寸的同时实现这一目标，需要通过密集的互连方式（如双层球栅阵列（BGA）键合，将定制的应用特定集成电路（ASIC）直接集成到柔性阵列中。此外，在转化生物电子学中，建立一种微型化的、机械坚固的流体屏障来保护这些密集的电子元件仍是一个关键障碍[21][22][23]。 本研究结合了对128通道柔性IrO_x接口的长期评估和256通道集成原型机的开发。我们分析了IrO_x改性的电化学优势，评估了在两只兔子体内进行的12个月和7个月的周期性记录，并检查了移除后的电极形态和电化学性能。在相同的电极制造工艺基础上，一种基于树脂的馈通基底和两个BGA接口将柔性阵列与两个128通道ASIC模块连接在一起，形成了一个紧凑的组装结构。在另一只兔子体内进行的1.5个月测试证明了该集成架构的体内运行能力。这种从材料到系统的方法同时满足了高密度神经接口对电极寿命和紧凑集成的要求。

章节片段

制造与组装

柔性神经接口是通过标准微机电系统（MEMS）工艺制造的，形成了PI-Au-PI三明治结构（图S1）。具体来说，首先在硅晶圆上沉积了300纳米的SiO₂牺牲层，然后依次沉积并图案化了底部的PI基底（约2.5微米）、溅射的Cr/Au信号互连层（20纳米/200纳米）和顶部的PI封装层（约2.5微米）。光刻技术用于打开记录位点和键合焊盘。

系统概述和组织学评估

128-Flex包含一个四臂的、经过IrO_x改性的PI-Au-PI柔性阵列，通过倒装芯片BGA键合连接到定制的FPC（图1a–c；图S1e–g）。256-prot通过两个BGA接口和一种基于树脂的馈通基底将一个八臂柔性阵列连接到两个ASIC模块（图1f–i；图S10–S11）。照片和X光视图展示了被释放的阵列和集成互连。PCTFE外壳和医用级硅胶对裸露的电子模块进行了封装（图3）。

讨论

本研究解决了高密度神经接口中的两个互补挑战：维持功能性电极接口和将其与紧凑的电子设备集成。IrO_x改性显著降低了阻抗并提高了电荷存储能力，为神经记录提供了有利的电化学基础。长达12个月的定期记录以及移除后的形态学和电化学测量结果表明

结论

本研究结合了对柔性IrO_x神经接口的长期体内评估和256通道原型的紧凑集成策略。IrO_x改性提供了低阻抗、高电荷存储能力的接口，并且在两只兔子体内实现了长达12个月和7个月的周期性记录。12个月后的形态保持、电化学响应和可检测的神经活动表明该接口在观察到的设备中继续具有记录实用性。基于这一平台，

CRediT作者贡献声明

王龙春：撰写——审阅与编辑，概念化。 舒贵军：概念化。 肖阳：研究。 顾林坤：方法论。 文东阳：撰写——初稿，可视化，验证，方法论，研究，概念化。 刘静全：撰写——审阅与编辑，项目管理，资金获取。 王晓：研究。 尹明：项目管理。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

致谢

本研究部分得到了STI（项目编号2030ZD0208601、2022ZD0208600）和中央高校基本科研业务费的支持。该项目还得到了上海市科学技术重大项目（2021SHZDZX）和国家自然科学基金（项目编号62304135）的资助。同时得到了上海交通大学2030计划的支持。作者还感谢上海交通大学先进电子材料与器件中心（AEMD）的支持。

文东阳 | 王龙春 | 舒贵军 | 肖阳 | 顾林坤 | 王晓 | 尹明 | 刘静全