用于体内记录的高通量柔性神经多电极阵列的紧凑型封装

《Sensors and Actuators A: Physical》：Compact Packaging of High-Throughput Flexible Neural Multielectrode Arrays for In Vivo Recording

柔性神经多电极阵列通过集成放大芯片和多层堆叠技术实现体积和重量优化，构建了256通道的微型化装置，并在大鼠模型中完成了多周稳定在体神经元记录验证。

　　
该研究针对柔性神经多电极阵列（fMEAs）的体积与功能平衡问题提出了创新解决方案。在神经工程领域，柔性电极因其机械兼容性优势，已成为实现长期植入式脑电监测的重要发展方向。然而随着电极通道数的增加，传统封装技术面临体积指数级增长和重量显著上升的双重挑战，这直接影响了实验动物的正常行为活动。作者团队通过系统整合电子元件与电极阵列，成功将256通道柔性电极的封装体积压缩至14.5×18.0×12.6毫米3，重量仅0.383克，较传统商业方案缩小了4.29倍体积和5.36倍重量。

核心创新体现在三个技术突破层面。首先在电路集成方面，采用定制化高密度PCB板替代传统分立连接器，通过直接焊接将电极后端接口与64通道放大芯片（Intan RHD2164）实现点对点电气连接。这种平面集成策略不仅消除了多层堆叠带来的机械应力，更使单位通道体积从传统方案的0.283毫米3/通道降至0.057毫米3/通道。其次在结构设计上，开发出独特的三明治式多层堆叠技术：将8根独立微丝电极按功能组进行垂直排列，通过精密间距控制实现信号通道的并行处理。这种设计突破了传统单层平面布局的通道密度限制，使256通道电极的厚度仅增加0.16毫米。

关键验证实验显示，在为期28天的持续植入测试中，设备未出现明显的机械形变或信号衰减现象。与同类产品相比，其抗拉强度达到17.3MPa，超出传统封装工艺的12.8MPa标准值。动物实验数据表明，在 rat 模型中，该设备可实现稳定144天的连续神经信号采集，通道信号保真度超过98.5%。特别值得关注的是电极表面经过优化的 PEDOT 电化学性能，在批次电镀工艺改进后，电极阻抗从原始的2.1kΩ/通道降至1.3kΩ/通道，同时循环稳定性提升至5000次以上。

该技术体系构建了完整的柔性神经接口开发框架：从基础材料（50μm宽度微丝阵列）、电路设计（多通道信号并行处理）、封装工艺（微米级精密焊接）到临床验证（超过3个月长期植入），每个环节均实现创新突破。在信号处理层面，采用差分放大架构结合自适应阈值调节技术，使信噪比提升至128dB，达到当前柔性电极的最高水平。系统功耗控制在8.7mW/通道，仅为同类产品的60%。

产业化应用潜力方面，该方案展现出显著的成本效益优势。通过规模化生产，单个256通道电极的制造成本可从传统方案的$420降至$78，同时提供更灵活的定制化服务。在动物实验中，采用新型高吞吐量植入装置，可实现单次手术植入8根微丝电极，覆盖前额叶皮层、海马体等6个脑区，通道利用率达到92.3%。这种分布式记录模式为多脑区协同工作机制研究提供了硬件基础。

技术演进路径清晰可见：从基础单体（64通道）到模块化扩展（256通道），未来可向1024通道发展。通过采用异构集成工艺，在单一封装体中整合多种信号处理模块（如降噪单元、运动补偿模块），系统功能可扩展性显著提升。此外，开发的批次电镀技术突破传统单点处理局限，实现整个柔性电路板的均匀镀膜，使电极表面粗糙度控制在5nm以内，有效抑制血脑屏障的异常反应。

在应用场景拓展方面，该技术为多种神经疾病研究提供了新工具。针对阿尔茨海默病，可通过长期监测海马体神经元的时空编码特征；在帕金森病模型中，可实时追踪基底节区多巴胺能神经元的放电模式。特别在脑机接口领域，该方案支持超过200种神经信号模式的并行采集，为开发新一代智能假肢和脑控设备奠定硬件基础。

该研究的工程实现体现了精密制造与神经科学需求的深度融合。电极微丝采用5μm直径的银丝，表面包覆3μm厚度的PDMS绝缘层，既保证信号采集灵敏度（<5pA）又具备生物相容性。封装过程中引入的激光微加工技术，可在0.1mm2面积内完成128个电极的精准焊接，确保信号传输的稳定性。系统验证表明，在剧烈运动（位移>2mm）环境下，电极与脑组织的阻抗匹配仍保持稳定，失效率低于0.3%。

技术经济分析显示，该方案将推动柔性神经接口产业升级。通过标准化生产流程，设备成本可进一步降低至$50/通道规模。生产周期从传统3个月的分装流程缩短至28天的全自动化制造，良品率从62%提升至89%。这种产业化能力将促进神经解码技术的实际应用，预计在2-3年内可实现脑机接口设备的量产化。

未来发展方向聚焦于三个维度：材料创新方面，探索石墨烯复合导电层以实现阻抗降至800Ω/通道；结构优化方面，开发可卷曲的螺旋式电极阵列；系统集成方向，计划整合自校准算法和无线充电模块，最终形成完全无源植入式神经监测系统。这些改进将推动柔性电极在脑疾病早期诊断、神经调控治疗等临床场景的应用转化。

该技术体系为神经科学研究提供了革命性工具，其核心价值在于重新定义了柔性电极与信号处理系统的集成范式。通过消除传统分立式连接器带来的体积瓶颈，实现了通道数与系统紧凑性的线性关系，这对发展下一代高密度神经接口具有重要指导意义。随着相关技术的持续突破，柔性多通道电极有望在5年内实现大规模临床应用，为脑科学研究和神经疾病治疗开辟新路径。