神經電極高性能納米修飾材料研究獲進展

近日，中國科學院深圳先進技術研究院醫工所微納中心研究員吳天准及其研究團隊成功研發出一種高性能、可控制備的三維氧化銥/鉑納米複合材料，用於修飾神經微電極，取得了創紀錄的電學性能。相關研究成果Well Controlled 3D Iridium Oxide/Platinum Nanocomposites with Greatly Enhanced Electrochemical Performances（《良好可控具有極強電化學性能的三維氧化銥/鉑納米複合材料》）已在線發表於《先進材料界面》（Advanced Materials Interfaces，DOI: 10.1002/admi.201900356）上。論文第一作者為助理研究員曾齊，通訊作者為吳天准。

近年來，隨著微型化、柔性化電子器件以及攜帶型、可穿戴、可植入的迅猛發展，微型儲能器件的需求也越來越大。其中，微型化的電化學電容器（Electrochemical capacitors, ECs）可達到極高的儲能密度。神經電極作為典型的微型EC，廣泛應用於人造耳蝸、人造視網膜、神腦刺激器等神經假體，微米尺度的電極陣列可為臨床提供更高的電刺激/記錄效率。然而，電極尺寸的大幅度縮小會造成極大的界面阻抗，使其電荷存儲和注入能力等性能嚴重下降，從而限制了其應用。目前，在不增加電極幾何尺寸的情況下，通過微電極表面修飾方法得到的鍍層均無法滿足低阻抗、高電荷存儲能力、高電荷注入能力以及長期穩定性的指標。

基於上述考慮，吳天准及其團隊成員曾齊等人在前期工作中已成功研發出一種氧化銥/鉑納米錐複合鍍層（Electrochimica Acta, 2017, 237, 152-159），有效改善了電極的電學性能和刺激效率。研究團隊在前期鉑納米錐的基礎上進一步開發出了3D鉑納米花結構，並探索了其演變情況；同時得到的氧化銥納米顆粒可很好地附著於上述鉑納米結構上。

研究結果表明，在微電極表面（電極直徑：200μm）修飾高性能3D氧化銥/鉑納米複合材料後，電化學阻抗相比未修飾電極降低了94.52%，陰極電荷存儲能力增大超過56倍（比前期工作提高了1個數量級）。該複合材料修飾的電極在經過了1億多次的連續電脈衝刺激後，陰極電荷存儲能力依然維持在86%以上。此外，其電荷注入能力高達6.37 mC·cm-2，遠領先於目前報道的鉑/銥神經電極修飾材料；在葡萄糖檢測方面也表現出優秀的特異性和靈敏度。該研究成果有效解決了現有的技術短板，可操作性強，能批量生產，對微電極表面修飾材料的開發和以人造視網膜為代表的神經電極刺激/記錄具有重要指導意義，有望廣泛應用於神經假體、高效刺激/記錄電極、生物感測、能量存儲等領域。

上述研究得到國家自然科學基金、廣東省自然科學基金、深圳市孔雀團隊項目等的資助。

（a）電化學修飾裝置示意圖；（b）微電極陣列排布；（c）微電極表面修飾前後的光學顯微圖像；（d）-（g）微電極表面修飾流程圖；（h）氧化銥/鉑納米材料微觀形貌

來源：中國科學院深圳先進技術研究院

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