《Advanced Electronic Materials》：Cost-Effective Ti/Al/Ni Multilayer Neural Probes With In Vivo Recording Performance Comparable to Ti/Au Neural Probes
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神经探针是用于研究脑功能的重要电生理工具。金（Au）因其高导电性和优良生物相容性，传统上被用作标准信号线材料。然而，受 COVID-19 大流行及供应链不稳定等全球因素影响，过去十年 Au 价格急剧上涨，显著提高了神经探针制造价格。研究人员提出一种以铝（Al）
神经探针是用于研究脑功能的重要电生理工具。金（Au）因其高导电性和优良生物相容性，传统上被用作标准信号线材料。然而，受 COVID-19 大流行及供应链不稳定等全球因素影响，过去十年 Au 价格急剧上涨，显著提高了神经探针制造价格。研究人员提出一种以铝（Al）替代 Au 的神经探针；Al 供应广泛、成本低且在半导体制造中大量使用。为克服 Al 易氧化问题，研究人员开发 Ti/Al/Ni 多层金属栈，用以增强界面附着、抑制自发氧化并降低电解质环境中的电化学反应性。该架构下，Ti/Al/Ni 多层神经探针总制造成本约 217 美元，在相同工艺条件下约为 Au 探针的四分之一。所得探针在多项评估中表现出稳健电气与化学稳定性，体内记录显示其神经信号质量与传统 Ti/Au 神经探针相当。该方法可提升高质量神经记录技术在资源有限研究环境中的可及性。
论文《Advanced Electronic Materials》所收研究工作面向神经接口技术中信号线材料成本高企的问题。脑内数十亿神经元通过复杂环路产生和整合电信息，神经探针作为微机电系统（MEMS）器件可记录微伏级神经活动；Au 因高导电、化学惰性和生物相容性长期作为信号线与电极材料，但 2015 至 2025 年 Au 均价从约 37.03 USD/g 升至 109.17 USD/g，使 Au 占原材料成本近 80%，单探针总制造成本接近 800 USD，制约了电生理研究的可及性与规模化。为此，研究人员以 Al 这一在半导体制造中广泛使用、价格低于 Au 两个数量级的金属替代 Au，并针对 Al 天然形成 Al2O3 氧化层、在酸性电镀液中腐蚀的问题，设计 Ti 黏附层、Al 导电层、Ni 盖层的 Ti/Al/Ni 多层金属栈，结合 Parylene-C 衬底与封装、黑铂（bPt）电极修饰，验证其可作为 Ti/Au 探针的低成本等效替代。研究结论为：Ti/Al/Ni 多层神经探针制造成本降至约 217 USD，电化学、机械、体内记录与生物相容性均与 Ti/Au 探针相当，对资源受限实验室具有重要应用价值。
关键技术方法包括：在 4 英寸硅片上以铜（Cu）牺牲层、10 μm Parylene-C 形成柔性衬底，电子束蒸发依次沉积 Ti/Al/Ni 或 Ti/Au 金属栈并通过 lift-off 图形化；以 2 μm Parylene-C 钝化层与反应离子刻蚀（RIE）开电极窗；三电极体系在微电极上沉积 bPt；使用 X 射线光电子能谱（XPS）、原子力显微镜（AFM）、扫描电镜（SEM）做表面分析；在 1×磷酸盐缓冲液（PBS）中做电化学阻抗谱（EIS）、循环伏安（CV）与电荷注入能力（CIC）测试；以 0.9% 琼脂糖凝胶模拟脑组织做插入实验；按 ISO 10993-5 用 HepG2 细胞做 MTT 细胞毒理；体内样本为成年小鼠，海马 CA1 区记录、两周植入后做 GFAP 与 Iba-1 免疫荧光组织学评估。
2.1 Development of Ti/Al/Ni Multilayer Neural Probes：研究人员保持除金属栈外结构一致，以 Parylene-C 为衬底与钝化层，Ti（20 nm）/Al（240 nm）/Ni（20 nm）替代 Ti（20 nm）/Au（200 nm）；结果表明同几何参数下 Ti/Al/Ni 探针成本约 217 USD，Ti/Au 约 827 USD，证明多层结构具实用经济性。
2.2 Signal Line Characterization：通过 XPS 分析室温老化样品，Ni 盖层保留金属 Ni 峰并抑制氧扩散，无氧化 Al 峰；未钝化 Al 在 PBS 中阻抗由 9.95 kΩ 升至 918.4 GΩ，而 2 μm Parylene-C 封装样品一周内维持约 10 kΩ，说明 Ni 与 Parylene-C 共同抑制氧化和腐蚀。
2.3 Comparative Cytotoxicity Assessment of Ti/Al/Ni Multilayer and Ti/Au Neural Probes：MTT 提取液实验显示 Ti/Al/Ni 与 Ti/Au 探针在 12.5%–100% 浓度下细胞活性均高于 70%，bPt 样品亦无显著毒性，证明 Parylene-C 封装使多层结构生物相容性等同于 Ti/Au。
2.4 Surface and Electrochemical Characterization of Ti/Al/Ni and Ti/Au Neural Probes：bPt 使 RMS 粗糙度由约 4 nm 增至约 50 nm；1 kHz 阻抗由 MHz/MΩ 级降至 11.4 kΩ（Ti/Al/Ni）与 19.3 kΩ（Ti/Au）；电荷存储容量（CSC）由约 8.91 升至 759.9 mC/cm2（Ti/Al/Ni），Ti/Au 由 10.73 升至 883.9 mC/cm2；CIC 为 450 μC/cm2（Ti/Al/Ni）与 650 μC/cm2（Ti/Au），证明 bPt 可弥合底层金属差异。
2.5 Mechanical and Electrochemical Stability of Surface-Modified Electrodes：PBS 浸泡 7 天、20 次琼脂糖插入、1 分钟超声、500 次 CV 循环后，bPt 涂层阻抗无显著变化，SEM 未见剥落降解，表明机械与电化学稳定性满足神经接口需求。
2.6 In Vivo Biocompatibility Assessment of Ti/Al/Ni Multilayer and Ti/Au Neural Probes：小鼠植入两周后 GFAP 与 Iba-1 荧光强度两组无显著差异，说明 Parylene-C 隔离使 Ti/Al/Ni 不引起额外神经炎症。
2.7 Comparative Analysis of Neural Recording Performance Between Ti/Au and Ti/Al/Ni Multilayer Neural Probes：麻醉小鼠海马 CA1 记录中，基线噪声 3.04 μV 对 2.89 μV，峰值尖波幅度 139.7 μV 对 115.1 μV，每电极分选单元 2.57 对 2.50，统计均无显著差异，证明记录质量相当。
讨论部分总结：研究人员指出 Ti/Al/Ni 架构通过 Ti 黏附、Ni 抗氧化与 Parylene-C 屏障解决 Al 固有缺陷；bPt 含铅（Pb）添加剂虽 XPS 未检出残留且 MTT 无毒性，但长期植入风险未完全排除，未来可用铂草（platinum grass）或 NanoPt 等无 Pb 纳米 Pt 涂层；晶圆级批量制造可进一步降低单件成本，该平台兼具低弯曲刚度、低阻抗与低成本，利于资源受限环境开展高密度神经记录。
结论部分翻译：本工作开发 Ti/Al/Ni 多层神经探针作为传统 Ti/Au 构型的低成本替代，同时保持稳定电气、电化学与机械性能。该多层架构利用 Al 的低成本与高导电性，同时克服其固有局限：Ti 黏附层增强与 Parylene-C 衬底界面结合，薄 Ni 盖层有效抑制 Al 快速氧化并降低电解质环境中化学反应性。通过此材料工程方法，Ti/Al/Ni 多层神经探针制造成本降至同设计 Ti/Au 探针约四分之一。Ni 层与 Parylene-C 绝缘的保护功能经多种表征验证：无 Parylene-C 样品在 PBS 中严重腐蚀且阻抗剧增，而 2 μm Parylene-C 封装探针一周内阻抗稳定；XPS 证实 Ni 层阻止氧扩散并抑制下层 Al 氧化；Ti/Al/Ni 结构在 bPt 电镀中化学稳定，MTT 显示其与 Ti/Au 生物相容性相当；7 天 PBS 浸泡后阻抗与形貌稳定。bPt 沉积使两类电极粗糙度大增、阻抗降至低 kΩ 级，CSC 由 8.91 升至 759.9 mC/cm2（Ti/Al/Ni）、10.73 升至 883.9 mC/cm2（Ti/Au），Ti/Al/Ni + bPt 的 CIC 为 450 μC/cm2；琼脂糖插入 20 次后涂层牢固，超声与 500 次 CV 后阻抗与形貌稳定。海马 CA1 体内记录中基线噪声、尖波率与尖波幅度均无统计差异。该工艺平均良率约 90%，晶圆级批量制造可再降成本。bPt 电镀液含 Pb，虽 XPS 未检出且 MTT 无细胞毒性，但长期植入潜在影响不能完全排除，今后应研究 platinum grass 或 NanoPt 等无 Pb 涂层。总体而言，Ti/Al/Ni 多层栈以约四分之一材料成本实现可比电化学、机械与体内记录性能，是面向可扩展神经接口的高性价比实用方案。
