科研进展

先进院研发出高性能氧化铱/铂纳米锥微电极表面修饰镀层

时间:2017-04-13  来源:医工所微纳中心 文本大小:【 |  | 】  【打印

  近日,中国科学院深圳先进技术研究院医工所微纳中心吴天准研究员及其研究团队成功研发出一种具有纳米结构的高性能氧化铱/铂纳米锥复合镀层。这种高性能复合镀层有效解决了随着电极阵列化和集成化带来的高电化学阻抗、低电荷存储能力及低电荷注入能力的问题,并显著提高了神经电极的电刺激性能。相关研究成果“Electrodeposited Iridium Oxide on Platinum Nanocones for Improving Neural Stimulation Microelectrodes(铂纳米锥上电沉积氧化铱在改善神经刺激电极中的应用)”已在线发表于电化学Top3期刊ElectrochimicaActa(http://dx.doi.org/10.1016/j.electacta.2017.03.213)上。同时该工作的阶段性成果被IEEE NEMS 2017收录,并入围最佳会议海报奖(Finalist of best conference poster award)。

  神经刺激/记录电极广泛应用于神经生理、脑科学研究等生命科学领域,如观察神经行为或治疗失明、失聪、帕金森症等神经障碍。为给临床提供更高的电刺激/记录效率,神经刺激/记录电极正朝着集成化和微型化的化方向发展,从而带来了电极阻抗增加、电容降低等性能问题,严重降低了微电极的安全刺激效率。目前,在不增加电极几何尺寸的情况下,通过微电极表面修饰方法得到的镀层均无法满足低阻抗、高电荷存储能力、高电荷注入能力以及长期稳定性的指标。

  基于上述考虑,在人造视网膜项目带头人Mark S. Humayun教授的指导建议下,吴天准研究员及其团队成员曾齐、夏凯、孙滨等人成功研发出一种具有纳米结构的高性能氧化铱/铂纳米锥复合镀层。从改善电极稳定性及刺激效率的角度出发,通过在微电极表面引入一层铂纳米锥作为氧化铱镀层与铂基体的中间粘附层,随后再慢速沉积一层具有高电容特性的氧化铱。其中,铂纳米锥形结构具有特殊优势,一方面,三维的纳米锥形结构可提供极大的表面积容纳氧化铱,从而避免了氧化铱在沉积过程中过于稠密;另一方面,三维的纳米锥形结构有效改善了氧化铱与铂基体之间的结合力,有利于提高电极镀层的长期稳定性,对后期微电极阵列的长期植入有效具有很好的促进作用。

  研究结果表明,所获得的高性能氧化铱/铂纳米锥复合镀层具有2.45 kΩ·cm2低阻抗其阴极电荷存储能力高达22.29 mC·cm-2 ,相比铂基体增大了6倍多。此外,该复合镀层在经过了1小时的超声振荡或超过1.7*107次的电脉冲刺激都能保持较稳定的阻抗和阴极电荷存储量,显示出了优越的机械稳定性和电化学稳定性。该研究成果有效解决了现有技术短板,可操作性强,对微电极表面修饰材料的开发和以人造视网膜为代表的神经电极刺激/记录具有重要指导意义,有望广泛应用于神经假体和高效刺激/记录电极等领域。

  上述研究得到了国家自然科学基金、广东省创新创业团队、深圳市孔雀团队等项目的资助。

  全文链接

(a)铂纳米锥中间粘附层;(b)氧化铱/铂纳米锥复合镀层;(c)氧化铱/铂纳米锥复合镀层超声测试的循环伏安对比图;(d)氧化铱/铂纳米锥复合镀层电脉冲刺激后的循环伏安对比图