Advanced Functional Materials:聚(5-硝基吲哚)薄膜作为导电和粘接界面层用于构建稳固的神经界面

1. 研究背景

神经界面是多种生物电子应用的重要组成部分,包括脑机接口、神经调控治疗和神经义肢技术。在过去的几年里,神经界面的发展主要依赖于新颖的器件设计和先进的电极材料研发。尽管从柔性几何结构、生物相容性材料和微创植入技术等方面的器件创新取得了显著成果,但神经界面的可靠性和长期稳定性在很大程度上依赖于与神经元直接双向通信的电极材料。因此,开发先进的电极材料是构建新一代神经界面的关键问题之一。为了提高神经组织和神经界面之间匹配性,人们研发了多种先进的电极材料,包括电容材料(MXene、石墨烯、碳纳米管)和法拉第准电容材料(导电聚合物)。在导电聚合物中,聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)表现出优异的电学性能、良好的生物相容性和类似组织的柔软性,因此被广泛地用作神经界面的涂层材料。尽管具有上述优点,但PEDOT与金属电极之间的粘附力较弱且不稳定,会导致界面失效,进而导致PEDOT功能丧失,最终影响神经界面在实际应用中的长期运行可靠性。在EDOT单体中引入羧基、、乙烯基和醛基等官能团,借助这些官能团在电沉积过程中较高的反应活性,可以改善PEDOT在电极上的粘附性。然而,这些基团的引入对电极的电化学性能有负面的影响,从而阻碍了其在高性能神经界面中的应用。

2. 文章概述

最近,华中科技大学罗志强教授课题组、中科院深圳先进技术研究院李骁健教授课题组合作,制备出一种具有优异导电性能的聚(5-硝基吲哚)(PIN-5NO2)作为粘附界面层,以增强PEDOT与金属电极的粘附。一方面5-硝基吲哚可通过电聚合制备具有优良电性能的共轭PIN-5NO2。另一方面5-硝基吲哚中的硝基还原而成的氨基可通过电接枝,与金(Au)电极基底形成强的附着力。研究结果表明,以PIN-5NO2作为导电粘附界面层,Au/PIN-5NO2/PEDOT电极表现出优异的电化学性能及机械性能稳定性。Au/PIN-5NO2/PEDOT修饰ECoG器件的体内评估显示了捕获大脑神经动力学的卓越能力。该策略将为构建稳固的高性能神经界面提供新思路。

3. 图文导读

图1. 利用PIN-5NO2作为导电粘附界面材料实现稳固的高性能神经界面。Au/PIN-5NO2/PEDOT电极构建流程、电聚合结合电接枝制备PIN-5NO2导电黏附界面层的机理。
图2. Au/PIN-5NO2/PEDOT电极的电化学性能和机械性能稳定性。a)Au/PIN-5NO2/PEDOT电极材料的扫描电镜图像(横截面)。b)-d)PIN-5NO2对Au/ PIN-5NO2/PEDOT电极材料电化学性能的影响。e) Au/PIN-5NO2电极、Au/PEDOT电极和Au/PIN-5NO2/PEDOT电极超声处理30min前后的照片。f)超声处理30min前后电极上剩余材料的比率。g) Au/PEDOT电极和Au/PIN-5NO2/PEDOT电极的剥离强度。h)超声处理前后Au/PIN-5NO2电极、Au/PEDOT电极和Au/PIN-5NO2/PEDOT电极的阻抗谱及(j)1kHz的阻抗值。
图3. Au/PIN-5NO2/PEDOT微电极的电化学性能。a) 64通道微ECoG装置的原理图及实物图。b) 超声30min前后PIN-5NO2/PEDOT修饰的金微电极的光学显微图。c) Au、Au/PIN-5NO2和Au/PIN-5NO2/PEDOT微电极的循环伏安曲线。d) Au、Au/PIN-5NO2和Au/PIN-5NO2/PEDOT微电极的循环伏安曲线(CV)。e)超声前后Au/PEDOT和Au/PIN-5NO2/PEDOT的阻抗变化。f) CV循环2000圈前后Au/PEDOT和Au/PIN-5NO2/PEDOT的阻抗变化。g) Au/PIN-5NO2/PEDOT微电极CV曲线,CV循环数为2000. h) CV循环次数对Au/PIN-5NO2/PEDOT微电极电荷存储能力(CSC)的影响。
图4. 利用Au/PIN-5NO2/PEDOT微电极体内记录小鼠大脑皮层电信号(ECoG)。a)64通道Au/PIN-5NO2/PEDOT ECoG器件放置在小鼠大脑表面的图片。b)急性植入64通道Au/PIN-5NO2/PEDOT ECoG(微电极面积为706.5 μm2)器件捕获的ECoG原始信号。c)与(b)相同,但使用的是商业化ECoG微电极,微电极面积为1962.5μm2。d) Au/PIN-5NO2/捕获的ECoG低频(下)和高频(上)频谱图。e)与(d)相同,但使用的是商业ECoG微电极。f) Au/PIN-5NO2/PEDOT微电极在拂动胡须过程中捕获ECoG信号的相应频谱图。

4. 结论

这项研究探索了一种电聚合与电接枝相结合的新方法,制备了兼具高导电性和强粘附性的PIN-5NO2薄膜,作为Au/PIN-5NO2/PEDOT神经电极的粘附界面层。Au/PIN 5NO2/PEDOT电极具有很强的附着力(剥离强度超过1.72 N/mm),优异的电化学性能(与金微电极相比,1 kHz阻抗减少约35倍,CSC增加约20倍),以及优异的机械和电化学稳定性(超声处理30 min, 2000 CV循环后无显著性能下降)。采用Au/PIN-5NO2/PEDOT微电极的64通道微ECoG器件显示了捕获大脑神经动态的卓越能力。该研究成果对于开发新型高性能神经界面具有重要的参考和借鉴意义。

论文信息:

Poly(5-nitroindole) Thin Film as Conductive and Adhesive Interfacial Layer for Robust Neural Interface

Ming Yang, Taotao Yang, Hanjie Deng, Jingjing Wang, Shan Ning, Xing Li, Xiaoning Ren,

Yuming Su, Jianfeng Zang, Xiaojian Li*, Zhiqiang Luo*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202105857

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202105857