張奕澤 崔乃毅

（北方工業(yè)大學(xué) 北京市 100144）

生物體與電子器件進行信息交互的接口叫生物電氣接口，也叫生物接口。生物接口不僅可以用來探究生物體的生理活動，還能夠幫助改善和拓展生物體的機能，甚至替代衰老、損傷或功能喪失的器官。此外生物接口還能對交互信息進行存儲和處理，進一步增強了信息交互能力。構(gòu)筑穩(wěn)定可靠的生物接口，對腦機接口技術(shù)的發(fā)展、生物電子醫(yī)療、神經(jīng)假體的臨床應(yīng)用具有重要意義[1]。

納米材料中的硅納米線由于具有獨特的物理與化學(xué)性質(zhì)成為構(gòu)筑生物接口的理想材料。已有研究表明納米材料生物相容性好，可與神經(jīng)細胞發(fā)生相互作用，促進神經(jīng)元粘附、引導(dǎo)軸突生長[1]。使用納米材料所構(gòu)筑的電極器件不但可以盡量縮小其尺寸、減弱機體的免疫反應(yīng)，還可以實現(xiàn)長期、大范圍、高時空分辨的神經(jīng)電活動調(diào)控與記錄。目前國際主流的生物接口器件是微電極陣列、場效應(yīng)晶體管等納米級神經(jīng)調(diào)控和記錄器件。

1 微電極陣列

微電極陣列是生物接口的主要手段之一，是控制神經(jīng)活動狀態(tài)、記錄神經(jīng)元細胞電信號的一種電極器件。在以硅材料作為基礎(chǔ)的微電極陣列中，猶他電極與密歇根電極極具代表性，相比于金屬電極，硅電極陣列具有良好的機械特性和生物相容性，密歇根電極在一個電極上有多個記錄位點，形成的高密度電極陣列可同時記錄大量腦電信號[2]。

1.1 工作原理

微電極陣列可檢測細胞外或細胞內(nèi)的電信號，將電極放在神經(jīng)細胞的附近或其內(nèi)部，引導(dǎo)神經(jīng)細胞的電活動。電極與組織液接觸相當(dāng)于金屬放入電解質(zhì)溶液中，在金屬和電解質(zhì)溶液的界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，金屬與溶液之間形成電荷分布，產(chǎn)生一定的電位差。電位分布是雙電層分布，金屬與電解質(zhì)溶液之間的電位差稱為電極電位[3]。當(dāng)細胞產(chǎn)生動作電位后，放置在細胞表面的電極就會記錄出兩者之間所產(chǎn)生的電位差。

1.2 研究進展

在器件層面，如圖1-圖4所示，猶他電極[4]與密歇根電極[5]依然是電生理信號檢測的主流，如科利耳研發(fā)的人工耳蝸（圖3 左）[6]，可以通過一系列的微電極直接刺激聽神經(jīng)，使失聰?shù)幕颊咧孬@聽力。目前的大部分應(yīng)用和研究，包括上述人工耳蝸，都是單向的，換句話說，它們只負責(zé)“讀”或只負責(zé)“寫”。但越來越多的人開始研究雙向通信的方案，例如Saluda Medical 近期獲批的脊髓刺激系統(tǒng)（圖3 右）[7]是首個通過誘發(fā)復(fù)合動作電位消除慢性疼痛的閉環(huán)系統(tǒng)，其檢測神經(jīng)系統(tǒng)的痛覺信號，并施加疼痛抑制信號以達到消痛的目的。此外，明星公司Neuralink 的腦機接口項目也吸引了越來越多的關(guān)注，在2021年發(fā)布了他們的新成果，圖4為該腦機接口的植入過程[8]，一種可擴展的高帶寬腦機接口系統(tǒng)，其中包含三個主要組件：超細聚合物探針，神經(jīng)外科手術(shù)機器人和定制的高密度電子設(shè)備[9]。通過該可植入腦機接口，一只猴子能夠在沒有游戲操縱桿的情況下，僅用大腦意念來玩Pong（一款模擬兩個人玩兵乓球的電子游戲）。

圖1：猶他電極[4]

圖2：密歇根電極[5]

圖3：科利耳人工耳蝸裝置示意圖[6]

圖4：Neuralink 腦機接口系統(tǒng)[8]

隨著MEMS 技術(shù)的發(fā)展，植入式神經(jīng)微電極的使用越來越普遍，硅納米線成為了實現(xiàn)與細胞連接和最小侵入性測量神經(jīng)元細胞內(nèi)電位的最佳選擇。Park 等人[10]在不同直徑的垂直硅納米線上培養(yǎng)人的腎細胞，如圖5所示，發(fā)現(xiàn)了細胞與納米線之間的強相互作用，直徑小、長度長的硅納米線更有助于細胞的粘附。Liu 等人[11]利用硅納米線電極陣列記錄體外培養(yǎng)的神經(jīng)元活動，如圖6所示，動作電位的極性反映了硅納米線所處的位置，刺入細胞內(nèi)的硅納米線記錄到正電位，而細胞外的硅納米線則記錄到負電位[1]。

圖5：硅納米線上培養(yǎng)腎細胞的掃描電鏡圖像[10]

圖6：細胞與硅納米線電極陣列耦合圖像[11]

1.3 微電極陣列的局限

傳統(tǒng)的微電極其力學(xué)性能與柔軟的人體組織不匹配，植入后易發(fā)生微移動，引發(fā)炎癥反應(yīng)，影響電極的長期記錄性能，且電極的記錄位點在體液環(huán)境中易發(fā)生腐蝕[1]。微電極陣列在同一個溶液環(huán)境中時，電極的電場之間會出現(xiàn)干擾，因此電極間距不能過小，電極的尺寸影響電極--電解液界面的阻抗和電極的噪聲，隨著電極尺寸的不斷減小，電解液界面的阻抗和電極的噪聲將增加，使神經(jīng)電極的信噪比降低，嚴重影響微電極陣列所記錄的信號質(zhì)量。這些問題限制了生物接口的發(fā)展和應(yīng)用。

2 場效應(yīng)晶體管

硅納米線除了可以用于構(gòu)建微電極陣列外，還可以用于構(gòu)建場效應(yīng)晶體管納米電子器件。硅納米線場效應(yīng)管由于納米線可以將其直徑縮小到納米級別，因此具有非常高的靈敏度。當(dāng)硅納米線與細胞接觸，神經(jīng)元產(chǎn)生動作電位時，硅納米線附近的電壓發(fā)生變化，從而獲取生物信號。目前階段，納米線場效應(yīng)管陣列主要應(yīng)用于基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)研究，用于神經(jīng)假體等。隨著研究的深入產(chǎn)生了眾多新興的納米場效應(yīng)管構(gòu)型，主要有平面型、扭結(jié)狀、U 型硅納米線場效應(yīng)晶體管以及基于納米線-納米管異質(zhì)結(jié)的枝狀場效應(yīng)晶體管等。

2.1 工作原理

硅納米線場效應(yīng)管通常用于生物電傳感，在納米線場效應(yīng)晶體管中，柵極信號是由納米線表面局部電化學(xué)電位的變化產(chǎn)生的。硅納米線場效應(yīng)晶體管生物傳感器的信號變化取決于化學(xué)柵控效應(yīng)。納米器件表面修飾探針分子后，將溶液中的目標物分子特異性捕獲，等效于柵極充電，從而改變硅納米線的電流（或電導(dǎo)）[12]。通過這種電學(xué)特性，我們可以實現(xiàn)細胞級的檢測與調(diào)控，細胞外記錄，動態(tài)離子流動，以及抗體-抗原結(jié)合改變表面電荷密度等。

2.2 研究進展

從基本平面到三維彎曲的納米線結(jié)構(gòu)的開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)器件的空間和功能新穎配置，彎曲的納米線超結(jié)構(gòu)已被用于制造三維彎曲納米電子探針，以記錄來自單細胞和組織的細胞外和細胞內(nèi)動作電位[13,14]。納米線的重復(fù)彎曲不會降低場效應(yīng)晶體管的性能。Tian 等人[15]采用扭結(jié)硅納米線構(gòu)建了三維﹑柔性的納米場效應(yīng)晶體管生物探針進行胞內(nèi)信號記錄，可減小細胞所受到的物理損傷。圖7 探針尖端呈60°，外層包覆磷脂雙分子層以利于探針記錄胞內(nèi)信號，扭結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管允許細胞通過膜融合進入。類似的，Zhao 等人[16]提出一種三維U 型硅納米線場效應(yīng)晶體管的設(shè)想，圖8 是這種探針耦合細胞的原理圖。Xu[17]等人探究了納米線的幾何形狀與尺寸對信號質(zhì)量的影響，他們發(fā)現(xiàn)曲率半徑與尺寸越小的場效應(yīng)晶體管能夠記錄到幅值更大的動作電位，其曲率半徑可以由襯底形貌任意控制。此外，如圖9所示，在單個探針臂上還可放置多個納米線場效應(yīng)晶體管實現(xiàn)對單個細胞的多位點檢測。Jiang 等人[18]制備了扭結(jié)pn 結(jié)納米線探針，用于高空間分辨率傳感和細胞內(nèi)記錄，圖10 是端角為120°的彎曲pn 硅納米線的典型SEM 圖像。

圖7：扭結(jié)納米線場效應(yīng)晶體管SEM 圖像[15]

圖8：U 型硅納米線場效應(yīng)晶體管探針原理圖[16]

圖9：直徑分別為30 納米的U 形(左)和150 納米的V形(右)納米線探針掃描電鏡圖像[17]

圖10：彎曲pn 納米線的設(shè)計與控制合成[18]

因為扭結(jié)硅納米線需要逐個組裝到生物探針上，難以大批量制備。之后Duan 等人[19]提出了將二氧化硅納米管和硅納米線連接在一起形成T 形結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖11所示，中空的納米管能穿透細胞膜使納米線與細胞質(zhì)基質(zhì)相接觸，這種器件被稱為枝狀納米管-場效應(yīng)晶體管。增加了二氧化硅納米管后，該場效應(yīng)晶體管的靈敏度大幅度提高，由于場效應(yīng)晶體管檢測神經(jīng)電活動不受界面阻抗的影響，該器件中的二氧化硅納米管尺寸可減小至3nm，與神經(jīng)細胞形成了穩(wěn)定、緊密的封裝界面，信號記錄的空間分辨率大大提高。

圖11：枝狀納米管-場效應(yīng)晶體管SEM 圖像[19]

Tian 等人[20]所制備的pH 傳感器顯示了這種血管結(jié)構(gòu)作為生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的潛力，該設(shè)備可感知流經(jīng)血管腔的不同鹽水溶液的pH 值。腔內(nèi)pH 固定，血管外pH逐步變化，同時從最外層的納米線場效應(yīng)晶體管記錄顯示電導(dǎo)逐步下降。在最內(nèi)層(最靠近管腔)的納米線場效應(yīng)晶體管顯示了輕微的波動。這種能力可以檢測炎癥、缺血,腫瘤微環(huán)境或其他形式的代謝性酸中毒由于生產(chǎn)過剩的有機酸或受損的腎。Yan 等人[21]通過鍺核硅殼納米線與電介質(zhì)層耦合產(chǎn)生了單納米線、場效應(yīng)晶體管，如圖12，這些器件可制備于玻璃基底具有均勻、可編程的閾值電壓，并具有驅(qū)動級聯(lián)元件的能力。

2.3 場效應(yīng)晶體管的局限

人的大腦約包含一千億個神經(jīng)元[22]，若要準確監(jiān)測大腦活動，則需要極高的電極密度。場效應(yīng)晶體管在其向著小型化、集成化和密集化發(fā)展的過程中，其主要阻礙為數(shù)據(jù)采集和阻抗。每個通道的信號通過導(dǎo)線引出后要經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，其對轉(zhuǎn)換裝置的采樣率有一定要求，當(dāng)通道數(shù)量增多時，所需的數(shù)據(jù)處理能力也將相應(yīng)增加，相應(yīng)地，設(shè)備的體積和功耗也將增加，這將不利于設(shè)備的小型化。在電極密集化的同時，電極尺寸也必然縮小，這將導(dǎo)致電極的電阻急劇增加，使得導(dǎo)線引出的信號強度減小，信噪比降低。隨著對場效應(yīng)晶體管的不斷研究，其與半導(dǎo)體工藝的結(jié)合使其功能性大大增強，通過其片上的尋址、濾波以及模數(shù)轉(zhuǎn)換可以大大加快數(shù)據(jù)處理的速度，以此來承載更多通道數(shù)量的數(shù)據(jù)，同時，該類有源器件可以同時兼具電生理刺激的功能[23]。但是，由于功能模塊之間的串?dāng)_，其噪聲將會更大。而且，其計算能力和通道密度的增加必然帶來整體功耗的增加，在接口芯片普遍較小的體積下，熱量容易堆積，進而損害神經(jīng)組織。

3 可注射網(wǎng)狀器件

人腦包含大約860 億個神經(jīng)元，它們被連接成復(fù)雜的電路來處理電信號傳遞的信息。為了通過細胞內(nèi)記錄來研究大腦中的大量神經(jīng)元，傳統(tǒng)的微電極方法受到其尖端尺寸的限制，并且一次只能從幾個神經(jīng)元讀取信號。納米線場效應(yīng)晶體管陣列實現(xiàn)了細胞內(nèi)可擴展長期記錄的挑戰(zhàn)，這種基于納米線的制造策略可以結(jié)合到其他平臺[24-26]，例如用于三維體內(nèi)測量的可注射網(wǎng)狀電子設(shè)備[24]。

3.1 工作原理

為了提高生物相容性，實現(xiàn)長期穩(wěn)定的神經(jīng)記錄，國內(nèi)外開發(fā)了一系列類神經(jīng)組織的網(wǎng)狀電極列。構(gòu)成這種電極的線尺寸小于神經(jīng)元的胞體直徑，這種網(wǎng)狀神經(jīng)電極通過類似密歇根電極的微納加工方式產(chǎn)生二維結(jié)構(gòu)后，可以通過注射方式植入腦中時擴散形成三維空間的覆蓋。網(wǎng)狀電子器件探針的設(shè)計特點包括三維開放大孔結(jié)構(gòu)、與神經(jīng)組織相當(dāng)?shù)牡蛷澢鷦偠?，以及與神經(jīng)元胞體和軸突相似的特征尺寸。這些設(shè)計特征已經(jīng)顯示出產(chǎn)生獨特的生物相容性，其特征在于最小的長期慢性免疫反應(yīng)以及電子和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之間的無縫集成，從而能夠在至少每年的時間尺度上穩(wěn)定地長期記錄和跟蹤相同的單個神經(jīng)元[27-30]。網(wǎng)狀電子提供了一種新的植入式軟電子范例，它具有類似大腦的結(jié)構(gòu)和力學(xué)，避免了與傳統(tǒng)方法相關(guān)的問題。具有亞微米厚度和細胞胞體尺度寬度的網(wǎng)狀元件的獨特大孔拓撲結(jié)構(gòu)憑借其獨特的機械和結(jié)構(gòu)特性實現(xiàn)了穩(wěn)定和無縫的組織整合。

3.2 研究進展

Liu 等人[31]引入了一種向生物內(nèi)部輸送電子器件的新策略。如圖13所示，通過注射器的針頭其直徑小至100 微米可展開亞微米厚、大孔網(wǎng)狀電子器件，表明寬度大于30 倍針內(nèi)徑的網(wǎng)狀電子器件可以被直接注射。在活體動物大腦神經(jīng)的慢性研究中的另一個主要挑戰(zhàn)是開發(fā)與外部的高效輸入/輸出接口，同時具備低電阻和長期穩(wěn)定性。Lee[32]報告了一種應(yīng)用于可注射網(wǎng)狀電子設(shè)備的新范式，圖14 中在活體小鼠中植入32 通道網(wǎng)狀電子探針的體內(nèi)實驗證明了直接接觸界面的長期穩(wěn)定性，能夠在至少2 個月內(nèi)持續(xù)跟蹤單個單位的神經(jīng)活動，且不會丟失通道記錄。在Viveros 等人[33]的研究中，通過嘗試實現(xiàn)生物醫(yī)學(xué)設(shè)備在目標組織上的無縫集成，利伯教授的團隊開發(fā)了基于網(wǎng)格設(shè)計的大腦探針；圖15的探針具有超過80%的孔隙率和基于納米線場效應(yīng)晶體管的亞細胞大小的傳感器。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高孔隙率允許與大腦的神經(jīng)組織相互滲透和緊密整合，從而將慢性免疫反應(yīng)降至最低。為了能夠更好地同時進行體外組織培養(yǎng)和神經(jīng)活動檢測[15]，Tian[15]等人發(fā)展基于硅納米線場效應(yīng)晶體管的多孔柔性納米電子支架，可實時檢測細胞活動以及它們對藥物、pH 變化的反應(yīng)。該組織接口已被用于實時記錄和操縱三維組織的電生理。例如，該支架能夠以亞毫秒的分辨率在心臟組織中，繪制傳導(dǎo)通路和動作電位的演變。

圖13：網(wǎng)狀電子器件注射流程[31]

圖14：32 通道網(wǎng)狀電子探針[32]

圖15：網(wǎng)狀納米電子探針的植入注射器[33]

4 總結(jié)與展望

在前文中，本文主要以微電解陣列和一維納米材料中的硅納米線為例，概述了生物接口的研究進展，重點介紹了與納米線生物接口相關(guān)的科學(xué)和工程實踐。大多數(shù)實例和插圖都集中在硅納米線及其器件上，根據(jù)其不同的結(jié)構(gòu)，對半導(dǎo)體納米線器件進行分類，并依此介紹它們的結(jié)構(gòu)特點、應(yīng)用優(yōu)勢以及其局限性。生物接口目前依舊存在很多技術(shù)問題，比如生物毒性、阻抗、串?dāng)_、數(shù)據(jù)采集等。理想的生物接口要求電極器件具有高靈敏度、高信噪比、高時空分辨率，且能實現(xiàn)長期穩(wěn)定的記錄信號。在未來，上述電極技術(shù)的優(yōu)勢都將會融合在一起，以解決現(xiàn)有的限制，開發(fā)理想的生物接口。發(fā)展方向主要要三個，首先，需要采用最新半導(dǎo)體工藝制造技術(shù)制備高密度的電極，且電極的尺寸應(yīng)該縮小到接近單個神經(jīng)元體或軸突的尺寸，針對不同細胞類型和神經(jīng)元亞型的特定目標，實現(xiàn)分子功能化。其次，電極應(yīng)該在單個神經(jīng)元水平上提供長期穩(wěn)定的記錄和調(diào)節(jié)神經(jīng)活動，實現(xiàn)對所有細胞類型的最小擾動或沒有擾動。最后，發(fā)展包括電記錄、電或光刺激和藥理調(diào)節(jié)在內(nèi)的采集、調(diào)控功能。