达特茅斯学院 | 规模化高均匀性PEDOT:PSS薄膜在微电极阵列上的电沉积制备

美国达特茅斯学院方辉课题组近期在国际知名期刊《Biosensors and Bioelectronics》上提出一种高效的PEDOT:PSS薄膜大面积阵列级的制备方法，为微电极阵列上高均匀性规模化制备 PEDOT:PSS提供了一种可控的技术途径，成功解决了传统溶液涂覆法难以在微电极阵列上实现均匀镀膜的难题。该方法通过精确控制电化学反应，利用恒电位电镀通过电化学聚合的方式实现了PEDOT:PSS薄膜在微电极阵列上的大规模、高均匀性的高效可控沉积。这一研究进展为下一代高性能多通道神经接口器件的研发提供了有价值的参考，有望显著提升神经生理信号采集的质量和稳定性。

研究背景

鉴于大脑神经活动的复杂性，利用大型微电极阵列（MEA）对其进行高精度记录和刺激成为神经科学研究的热点。例如，犹他阵列已成功应用于神经假肢，而脑皮层ECoG阵列通过解码语句的脑信号实现了语音合成，在癫痫治疗中发挥重要作用。

为了获得高质量的神经信号，微电极的表面通常需要进行低阻抗材料涂覆。PEDOT:PSS（聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸盐)）是一种兼具优异导电性、生物相容性和加工性的导电聚合物。然而，传统制备方法的局限性阻碍了其在高密度神经接口中的大规模应用。如旋涂法仅适用于平坦基底，并且容易导致薄膜分层。喷墨打印方法有效性取决于墨水的物理化学性质，并且需要更长的涂覆时间且难以实现大面积均匀涂覆。

电镀被广泛认为是一种在微电极上沉积低阻抗材料的有效可靠方法，通常采用三电极系统。在恒电位、恒电流和循环伏安法三种模式下进行。其中，恒电位法可精细调控涂层，操作简便，沉积时间短，适用于多种样品。现有研究主要集中于大尺寸电极的电镀，对于细胞尺度微电极的研究相对较少。本研究通过聚焦于细胞尺度微电极上的PEDOT:PSS电镀，旨在提高神经信号的采集精度与信噪比，为MEA的设计和应用提供新的创新性思路。

课题组提出的恒电位电镀方法通过电化学聚合的方式，实现了PEDOT:PSS薄膜在微电极阵列上的精准、可控高效沉积，研究通过以下三个方面深入探讨PEDOT:PSS在大规模电极阵列上的电镀制备：

1）实现细胞尺度微电极阵列（>100通道）上PEDOT:PSS的阵列范围均匀沉积；

2）比较恒电位和恒电流两种电镀模式的异同点；

3）揭示恒电位电镀方法实现均匀沉积的机理。

研究方法

---器件制备与测试---

①基底制备:将3×2英寸玻璃基底清洗并用氮气吹干，旋涂PDMS（10:1，2000 rpm，30s）并于90°C固化1小时。随后层压25.4μm厚的Kapton薄膜，旋涂2μm厚的PI 2545，并按以下工艺进行固化：110°C/3min、150°C/5min、250°C/70min。

②金属化与图案化：在PI层上，通过电子束蒸发沉积5 nm Cr作为粘附层，随后沉积100 nm Au作为导电层。利用光刻技术，采用S1805 G2正性光刻胶，曝光剂量为100mJ/cm²，对金属层进行显影图案化。

③封装:为了保护电极并提供绝缘，在图案化后的金属层上旋涂负性光刻胶SU-8 2005，并在180°C下固化30分钟。

④激光切割:使用LPKF激光切割机在器件上切割出所需形状，随后将制备好的器件从PDMS基底上小心剥离。

⑤PEDOT:PSS电化学沉积：

将100 mL去离子水与3,4-乙烯二氧噻吩（EDOT）单体（0.01M）、聚(钠-4-苯乙烯磺酸盐)粉末（PSSNa，0.07M）混合，磁力搅拌3小时，得到PEDOT:PSS前驱液。EDOT与PSS的摩尔比为1:7。将器件置于氧等离子清洗机中，以100 W的功率处理1分钟，以去除表面有机污染物并提高其表面润湿性。随后，将器件浸入PEDOT:PSS前驱液中，并连接到三电极系统。以铂丝为对电极，Ag/AgCl为参比电极，采用恒电位法，在0.85V的电位下电沉积20 s。电沉积结束后，将器件用去离子水清洗，并用氮气吹干。将器件的焊盘对准自制PCB上的对应焊盘，将焊接好的定制PCB与32通道Omnetics连接器连接，并使用电化学工作站（如Gamry）在0.1Hz-1MHz范围内测量电极的阻抗谱。

⑥加速老化测试

制备好的PEDOT:PSS电极浸泡于pH 7.4的磷酸盐缓冲溶液（PBS）中，置于67°C的恒温箱中，进行加速老化测试。取出样品，用去离子水冲洗，并重新测量阻抗谱。通过比较老化前后电极的阻抗变化，用以评估PEDOT:PSS膜的稳定性。

研究结果

实验采用了 16、64 和 128 通道的微电极阵列，每个电极开口尺寸为 10 × 20 μm2 ，电极间距400μm。恒电位沉积是通过对给定阵列上的所有微电极施加恒定电位（参考Ag/AgCl 电极）进行的，利用丙酮可去除的银浆暂时短路所有触点。选择 0.85 V 电位来微调电镀沉积速率以获得最佳的涂层形貌和附着力。

图1.MEA恒电位和恒电流电镀沉积PEDOT:PSS的电流密度示意图

图1展示了使用三电极方法在微电极阵列 (MEA) 上进行 PEDOT:PSS 电镀的工艺，示意了恒电位与恒电流两种代表性的电镀模式。在恒电位沉积中，控制 WE 和 RE 之间的恒定电位差。相反，恒电流沉积以电流控制为中心，确保 WE 和 CE 之间有稳定的电流流动。团队利用相同图案化设计的 128 通道阵列的器件比较两种沉积方法。

图2展示了128通道微电极阵列的整体图像以及部分列的放大图像。通过对比恒电位沉积（0.85 V，20 s）和恒电流沉积（0.2 mA/cm²）的结果，可以发现恒电位沉积得到的PEDOT:PSS薄膜覆盖均匀，厚度一致，边缘清晰。

图2. 128 通道微电极阵列的光学显微图像以及电镀后的电极放大图（倍率：× 400）

经过实验测量比较得出，利用恒电位和恒电流方法得到的微电极平均阻抗较为接近，分别约为100 kΩ和120 kΩ（图3）。

图3.恒电位沉积的阻抗直方图(左)；恒电流沉积的阻抗直方图(右)

然而，恒电流沉积的微电极阻抗分布上更广（图4）。恒电位和恒电流方法的标准偏差分别为29.8 kΩ和168.29 kΩ，差异近5.5倍。此外，恒电流沉积组中，有多个电极的阻抗超过600 kΩ，这对于高性能神经接口不利。由此可见恒电位方法在保证大规模MEA的均匀性方面表现更优。

图4. 使用恒电位沉积和恒电流沉积两种方法所得到的微电极阻抗对比结果。恒电位沉积方法单个微电极的阻抗（上），使用恒电流沉积方法时单个微电极的阻抗（下）

如图5所示，为进一步验证上述结论，对两种方法进行了四次重复实验。尽管平均阻抗差异不大（恒电位和恒电流方法分别为104.31 kΩ和94.95 kΩ），但标准偏差仍存在显著差异（分别为6.39 kΩ和43.18 kΩ），表明恒电位方法的重复性更好。

图5.基于沉积方法的 128 通道 MEA 的平均阻抗（高斯拟合）

对不同沉积时间下的电极进行了形貌和颜色的观察（图6）。SEM图像显示，随着沉积时间的增加，PEDOT:PSS膜的厚度和覆盖率逐渐增加。在初始阶段，PEDOT:PSS形成分形结构的颗粒。随着沉积的进行，颗粒逐渐长大，并相互连接，形成连续的膜。PEDOT富集区域的二次电子发射能力更强，在SEM图像中表现为亮度更高。在20秒沉积时，由于过度沉积，聚合物表面电荷积累，导致对比度降低。

图 6. 在微电极阵列 (MEA) 上，使用不同恒电位沉积时间（0 s、5 s、10 s、15 s 和 20 s）进行光学和电化学分析的结果

为了评估恒电位沉积PEDOT:PSS微电极阵列的长期稳定性，进行了加速老化测试实验。将制备好的微电极阵列浸泡于67℃的磷酸盐缓冲液（PBS）中，并定期测量其阻抗和产量。产量定义为阻抗低于500 kΩ的电极占总电极数的比例。通过浸泡在67℃下9天来模拟在37℃下72天的浸泡环境。

图7展示了同一电极在不同浸泡时间下的光学显微镜图像，可见PEDOT:PSS涂层在长时间浸泡后未出现分层、剥落等现象，且颜色保持稳定。从图7右可以看出，随着浸泡时间的延长，电极阻抗和产量均保持稳定，表明PEDOT:PSS涂层具有良好的长期稳定性，有望被应用于长期实验的神经电极制备。

图 7. 在67摄氏度环境中PEDOT:PSS涂层不同浸泡天数下的光学显微图像（左图）；1 kHz 电极阻抗和产量随浸泡天数的变化（右图）

研究结果分析

本研究主要探索了 PEDOT:PSS 涂层在大规模微电极阵列 (MEA) 上的电镀沉积方法，以实现均匀大规模的沉积效果。通过比较恒电位沉积与恒电流沉积的差异，研究发现恒电流法容易受到电极间阻抗差异的影响（如电极面积、表面粗糙度和互连长度不同），导致电流密度分布不均匀，电流密度相对较高的电极会优先沉积PEDOT:PSS，这种更快的沉积速度反过来会进一步降低电极阻抗，促进更多的电流流动，对沉积产生正反馈导致了沉积不均匀，使得在多通道MEA 上难以实现均匀的沉积效果。

相比之下，恒电位沉积方法表现出更好的性能，可以在细胞级大小的微电极阵列上实现高度均匀且可重复的 PEDOT:PSS 涂层。这种方法能够有效解决恒电流沉积中的电流密度分布不均匀问题，保证了沉积过程的稳定性和一致性。

研究中的系统性电化学表征结果进一步证明了恒电位沉积涂层的结构和稳定性与恒电流沉积相似。这一结果验证了恒电位沉积方法的有效性和可行性，为神经电子接口器件的制备提供了新的技术手段。

结论（启发展望）

本研究使用恒电位法成功解决了PEDOT:PSS在大规模微电极阵列(MEA)上实现均匀大规模电镀的难题。在包含超过一百个细胞级大小的MEA上实现了高度均匀的PEDOT:PSS涂层。

通过详细对比恒电位和恒电流两种电镀方法，深入阐明了恒电位法在实现阵列范围均匀性及增强可扩展性方面的优势。研究表明沉积过程高度可控，且速率与电极通量和密度密切相关。电化学分析结果显示，两种方法制备的PEDOT:PSS涂层电化学性质无显著差异，但恒电流法导致样品间差异较大。加速老化测试表明，恒电位沉积的PEDOT:PSS涂层在67℃的PBS中可稳定保存9天，展现出优异的长期稳定性。研究成果表明了恒电位电镀是一种高效可控的大规模多通道电极阵列的沉积方法，为生物电子学领域提供了新的技术手段。

关于实验团队：

达特茅斯多功能集成神经电子实验室（MINE Lab）致力于纳米材料与神经界面创新研究相结合，以解决神经电子领域所面临的重大挑战并提供可扩展且多功能的解决方案。实验室汇集了来自多学科领域的杰出研究人员，共同推动神经科学研究的进步。研究重点主要包括：神经脑机接口，高性能神经电子器件的合成新型电子材料的设计制备，电活性有机材料在神经界面中的应用的探索，针对神经递质信号检测和传感的器件开发。如欲了解更多关于MINE Lab的信息，请访问实验室网站https://sites.dartmouth.edu/fang-group/

Reference

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956566324004238

DOI: 10.1016/j.bios.2024.116418

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