电院刘景全团队在面向单神经元的纳米级脑机接口器件方面取得新进展

近日，电子信息与电气工程学院微纳电子学系刘景全团队在面向单神经元的纳米级脑机接口器件领域取得新进展，相关成果以“In situ self-referenced intracellular two-electrode system for enhanced accuracy in single-cell analysis”（提高测试精度的原位自参比胞内双电极体系）为题在国际著名期刊《Biosensors ＆ Bioelectronics》上发表。

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研究背景

对单神经元的研究有助于了解脑细胞个体与集群之间的底层逻辑。然而，传统用于单细胞分析的双电极体系将工作电极和参比电极跨膜放置，使电极体系之间的电流传导受培养基、细胞膜和细胞质的影响。随着脑机接口领域的研究需求，面向单神经元的分析将更加精细化。因此，对传统双电极体系的依赖势必成为神经元电生理分析的潜在制约因素。鉴于此，该团队探索新型胞内脑机接口器件以解决传统双电极体系在膜结构上引入额外电压进而中断细胞活动的问题，并初步验证其在提高测试准确性方面的可行性。

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亮点成果

该研究将工作电极和参比电极集成在纳米级尺寸尖端构成原位自参比胞内脑机接口器件。为了实现小型化和高集成度，采用激光辅助拉制技术制备纳米吸管和内部银丝电极。利用微纳加工工艺在纳米吸管表面沉积导电层作为工作电极，并使用电化学方法氯化内部银丝作为参比电极，尖端尺寸400-800nm。测试表明其原位Ag/AgCl电极稳定性优于传统Ag/AgCl丝，并且该器件在pH6.0-8.0范围内可进行标准的电化学测试。

胞内双电极体系器件制备流程

该团队选用小鼠海马体神经元细胞系评估器件在单细胞实验中的可靠性。采用calcein-AM/PI荧光实验验证器件对细胞机械友好，且不受葡萄糖、蛋白质和ROS等胞内常见物质的干扰。通过细胞插入实验证明了原位参比电极能够提供稳定的电位，且工作电极可动态监测胞内外pH值的变化。

单神经元脑机接口器件细胞实验

为探究该器件相较于传统双电极体系的优势，从等效电路、有限元仿真和细胞实验方面进行了对比分析。等效电路方面，单神经元脑机接口器件中工作电极和参考电极的相对位置独立于膜结构，增加了器件的鲁棒性。仿真分析结果显示胞内脑机接口器件中的电位分布不受人工内液、培养基和膜结构的影响。随后，借助Ag/AgCl敏感的氯离子溶液探究参比电极对于电极体系测试结果准确性的影响。结果表明，工作电极稳定时胞内双电极体系使pH测试误差降低0.055（~0cm滴定）和0.047（~2cm滴定）。

电极体系测试准确性对比

该研究面向跨空间尺度整合神经动力学的应用需求，通过微纳工艺实现脑机接口器件的原位胞内应用，是在体胞内脑机接口器件的一次重要尝试。在未来，在体胞内脑机接口器件应用于活体实验还需更深入的机理研究，更全面的性能评估，以更加可靠、安全、实用的方式进行多尺度一体化的信号记录与分析。

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研究团队

上海交大电院博士生徐庆达为第一作者，刘景全教授为通讯作者，该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目资助。

刘景全教授团队长期致力于可穿戴/可植入柔性电子器件、MEMS脑机接口器件等研究（Sci. Adv. 2021、Adv. Mater. 2021、Adv. Funct. Mater. 2023、Small 2019、Microsyst. Nanoeng. 2022和Biosens. Bioelectron. 2020等），并推动其临床转化。

论文链接（或点击“阅读原文”）：

http://doi.org/10.1016/j.bios.2024.116173

课题组网页：

http://mems.sjtu.edu.cn/

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来源丨微纳电子学系

文稿丨徐庆达

 编辑 | 张楚屏

责任编辑 | 张悦