维生素C还原氧化石墨烯增强多模态微电极

结合纳米碳作为神经电极涂层可以增强其表面积。然而，对电极进行微加工需要使用有害化学品和极端加热。在最近被iScience杂志接受的一篇文章中，研究人员采用了一种可扩展，方便和安全的还原技术，通过使用维生素C（VC）进行还原反应来获得还原的氧化石墨烯（rGO）薄膜。

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研究：维生素C还原氧化石墨烯改善多模态神经微电极的性能和稳定性。图片来源：Africa Studio/Shutterstock.com

VC-rGO涂层的电导率约为44 S/cm。与纯金相比，rGO/金（Au）微电极的阻抗低约8倍，电容高400倍，从而提高了注入能力和电荷存储。rGO/Au阵列允许在体外伏安法检测多巴胺（DA），并在体内实现高分辨率微尺度记录。

神经电极涂层材料

回路，潜在的脑功能和疾病取决于使用高度可靠的电极调节和记录神经活动的能力。这些电极由具有高导电性，生物相容性，电化学稳定性和易编程能力的掺杂无机材料组成，通过标准光刻技术将不同的结构。

此外，模拟细胞水平活动需要通过小型化电极触点来解析相应的时间和空间尺度。然而，基于无机材料的微尺度电极具有高阻抗并表现出适度的电荷注入能力，导致记录的信噪比（SNR）下降并限制安全神经调节。

金属或硅（Si）电极的纳米级粗化和表面涂层是克服这些限制的常见策略。这些策略通过提供额外的吸附位点和高有效表面积来改善分析检测。此外，这些修改可以增强安全存储和电荷输送的能力。

氮化钛（TiN），碳纳米管（CNTs），纳米金刚石，导电聚合物（CP）和杂化材料是用于增强电极表面的几种常见材料。然而，这些材料在实际适用性方面存在局限性。

还原氧化石墨烯（rGO）具有主要的电容性质，易于加工，电化学稳定性，低阻抗，可调性和高电荷传递，这有助于其作为神经电极涂层材料的应用。

多模态神经微电极中的VC-rGO薄膜

在本研究中，研究人员提出了一种生产用于神经微电极阵列的rGO涂层的新方法。这些涂层是安全的，并且与常用的电极材料相容，可以很容易地集成到传统的微电极工艺中。

该方法利用VC缓慢反应动力学的优势，在环境温度下将其用作还原剂。研究人员展示了一种简单的构造方法，可以获得涂有rGO的神经微电极阵列，其中GO和VC被喷洒到裸露的Au微图案Si晶圆上。

通过优化加热时间和VC浓度，使涂层的电化学和电子性能最大化。此外，还展示了一种一步法包衣工艺，用于制造parylene-C封装的rGO / Au微电极阵列，用于皮质刺激，微电皮质成像（μECoG）记录和神经化学传感。

在体外表征了rGO/Au微电极的电化学性质.结果表明，与先前报道的Au电极或其他涂层材料相比，rGO涂层表现出更好的稳定性并增强了电极表面积，从而降低了阻抗并增加了电荷存储/电荷注入能力。

除了增强的表面积外，rGO涂层还增加了吸附位点的数量，这使得体外多巴胺DA检测具有低检测限和高灵敏度。

rGO / Au μECoG阵列通过显示大鼠体感觉皮层中刺激其胡须诱导皮质反应的高密度映射，证明了在微尺度范围内和高分辨率下监测神经回路的可行性。

结论

本研究提出了一种利用rGO涂层增强神经微电极刺激、记录和生化检测性能的新策略。rGO薄膜利用VC的动力学，并以生物相容性，安全，高度可扩展和非破坏性的方式完成了还原。

VC的降低经过优化，在可植入式医疗设备中的应用方面实现了与聚合物基材的相容性。此外，rGO的加工和设计的薄膜沉积方法允许它们轻松集成到微加工过程中以产生神经微电极。

与金属电极相比，所展示的VC-rGO涂层具有足够的导电性，稳定性，并显着增强了电化学性能。rGO涂层电极在不间断电荷注入下的阻抗与VC-rGO DC在电解和大气环境中的电导率相结合，表明了VC-rGO薄膜在长期应用中的潜在稳定性和多功能性。

此外，rGO涂层电极优异的电荷转移和电荷储存特性表明，它们能够作为体内刺激研究和慢性记录的有希望的候选者。

在未来的工作中，研究人员预计通过使用rGO / Au阵列来记录电生理学和直接通过电荷刺激神经组织，从而完成同时进行的体内记录和刺激实验。

参考

Brendan B. Murphy, Nicholas V. Apollo, Placid Unegbu, Tessa Posey, Nancy Rodriguez-Perez (2022). Vitamin C-Reduced Graphene Oxide Coatings Improve the Performance and Stability of Multimodal Microelectrodes for Neural Recording, Stimulation, and Dopamine Sensing. iScience. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589004222009245