生物电子医学是一个新兴领域，它依靠电信号来调节复杂的神经元回路，尤其是在外周神经系统中，作为药物治疗的一种替代方法。小的自主神经是该领域的目标之一，然而，实现神经连接是具有挑战*的。

在此，我们报告一种微通道电极阵列（μCEA）的研发情况，该电极阵列专为连接小直径的躯体 / 自主神经（例如，50-300μm）而设计。μCEA 的开发是为了便于将目标神经放置到具有多个电极的微通道中。放置神经后，在微通道上放置一个盖子，将神经固定在适当位置，并形成一个封闭的微通道（图 1）。这种设计允许根据需要进行 μCEA 的急*和慢*放置，避免因放置或移除接口而对神经造成损伤。

一、引言

神经接口在神经系统与医疗设备之间建立连接，如深部脑刺激器、人工耳蜗和视网膜植入物、神经肌肉刺激器、脑 / 机接口以及外周神经 / 机接口。这些接口被植入目标神经处，以提供具有特定强度、持续时间和频率的精确控制的电刺激，来恢复或补充因疾病或损伤（如听力、视力）而丧失的功能。一些外周神经接口还被设计用于记录与预期运动相关的神经元活动，并用于控制先进的机器人肢体。

生物电子医学是一个快速兴起的领域，它依靠通过神经接口将电功能模式应用于神经组织，来调节神经元回路，与药物治疗相比，以实现更好的临床相关效果。*近的报告表明，类风湿*关节炎，一种导致关节慢*疼痛*炎症的自身免疫*疾病，有可能通过迷走神经刺激进行治疗。此外，神经刺激也已被证明可以减少脾脏产生肿瘤*死因子，从而显著减轻关节炎症和疼痛。

已经提出了几种类型的外周神经电极阵列，包括：神经外（袖套 / FINE）、神经束内（TIME）、神经内（USEA）和再生型（筛状，REMI）。虽然所有这些电极阵列都能有效地刺激和记录外周神经，但大多数是为相对较大的神经（如大鼠的迷走神经，直径约 500μm）设计并进行测试的。通常，这些大神经支配许多不同的目标，导致广泛的全身刺激，从而产生不必要的副作用。为了避免这些限制，电极应植入小的神经束中，*好更靠近目标器官。这在一些研究中得到了证明，这些研究报告了通过刺激迷走神经的脾神经束有效地调节脾脏；然而，在目前使用的动物模型中，大多数调节器官的神经束相对较小（50-300μm），并且现有的电极设计不适合针对这些神经束。

在此，我们报告一种新型微通道电极阵列（μCEA）的研发情况，该电极阵列专门为连接小直径的躯体 / 自主神经（例如，50-300μm）而设计。μCEA 的开发是为了便于将目标神经放置到具有多个电极的微通道中。放置神经后，在微通道上放置一个盖子，将神经固定在适当位置，并形成一个封闭的微通道（图 1）。这种设计允许根据需要进行 μCEA 的急*和慢*放置，避免因放置或移除接口而对神经造成损伤。

图1. A）用于对小直径（50-300μm）神经进行神经调节的 μCEA 的示意图。B）带有连接的 U 形盖的制作好的 μCEA，用于形成封闭的微通道。

二、材料与方法

01. 设计理念

使用多电极阵列连接小的外周神经具有挑战*，这是由于神经的直径以及实现选择*和特定分辨率所需的电极数量。μCEA 设计提供了可定制的高密度电极阵列，这些电极阵列沿不同大小的神经纤维双侧放置（图 1）。开放式结构设计便于将目标神经放置到 μCEA 通道中，而盖子则将神经固定在适当位置，创建封闭的微通道环境，限制离子扩散并增加信号放大。所提出的设计不仅放大了与外周神经连接相关的低幅度细胞外信号，而且还提供了多个电极位置以实现选择*。此外，带有盖子的可定制微通道设计可以针对不同直径的小神经进行微创连接，干扰*小。

02. μCEA 的制作

μCEA 是一种具有三层的堆叠芯片结构，沿其边缘形成一个微通道，如图 2A 所示。图 2A 的插图显示了组装后的芯片结构的俯视图，其中 28 个单独的电极以 100μm 的间距放置。微通道的每个壁上包含 14 个记录 / 刺激电极和 1 个接地位点。暴露的金触点估计面积为 2000μm²，单个电极宽 40μm，高 50μm，间距为 100μm。总共 30 个接触点被连接到引线键合焊盘，用于连接记录和刺激电子设备（图 2A）。μCEA 使用厚度为 200μm 的四英寸硅片制作，带有二氧化硅绝缘层。在金属沉积和图案化之后，将硅片切割并键合以形成芯片堆叠结构，从而形成微通道。200μm 厚的间隔层将通道的两个壁分隔开，并同时用作键合和电气布线层（图 2C）。U 形微通道宽 200μm，壁高 100μm（图 2）。这些尺寸是为了读取大鼠中直径小于 200μm 的小直径神经的神经输出而设计的。然而，通过改变间隔层的厚度，μCEA 可以针对不同的神经直径进行定制，并且电极的数量和尺寸可以轻松调整。这种结构设计还允许使用其他衬底材料，如玻璃、聚酰亚胺或 Kapton。在形成芯片堆叠结构后，μCEA 使用 5cm 长、直径 25μm、聚对二甲苯 - C 绝缘的金线连接到一个 Omnetics 连接器。引线键合后，连接器和金触点进一步用环氧树脂绝缘（图 3A）。

图2. A）组装好的 μCEA 的示意图（插图显示了图 5C 中使用的记录电极的电极布局俯视图）。B）单个芯片的照片。C）组装好的 μCEA 的照片。D）组装好的 μCEA 的侧视图。

图3. 制作好的 μCEA。A）聚对二甲苯 - C 绝缘的 25μm 金线通过超声键合在硅片垫上的金触点（黑色箭头）和 Omnetics 连接器（绿色箭头）上。B）显示微通道侧面的金电极阵列（15 个电极）的照片。（C 和 E）取出的坐骨神经皮支（直径约 200μm）被放置在 μCEA 的 U 形微通道上。D）通过超声键合在硅片垫上的金线并用环氧树脂绝缘。

在 1kHz（Ple*on 刺激器）下的测量证实，90% 的电极阻抗值低于 100 千欧。使用大鼠坐骨神经皮支的解剖段（直径约 200μm），我们证实了 μCEA 能够容纳小直径神经（图 3）。

03. 将 μCEA 植入坐骨神经皮支

使用了五只成年斯普拉格・道利大鼠（300-350 克）。通过腹腔注射氯胺酮和甲苯噻嗪的混合物（90 毫克 / 千克氯胺酮和 10 毫克 / 千克甲苯噻嗪）对动物进行麻醉。剃除手术区域的毛发，并用氯己定擦洗切口部位。沿着股骨轴切开皮肤后，用钝头剪刀分离大腿肌肉，并暴露坐骨神经皮支。将坐骨神经皮支插入 μCEA 的微通道中并固定。然后将 Omnetics 连接器连接到多通道电生理采集系统（Ple*on），以记录神经活动。在一个单独的对照组中，给大鼠植入市售的纳米袖套（内径 160μm，Microprobes 公司）。纳米袖套有两个由 25μm 铂 / 铱丝制成的触点，间距为 0.5mm。铂 / 铱丝在距袖套 10mm 处盘绕，然后微焊接到聚四氟乙烯绝缘的绞合不锈钢丝上（图 4A）。所有程序均根据德克萨斯大学阿灵顿分校机构动物护理和使用委员会（IACUC）的规定进行。比较了袖套电极和 μCEA 电极的记录信号质量（图 4）。

图4. μCEA 和纳米袖套电极的比较。（A）纳米袖套和 μCEA 电极的图片。从坐骨神经皮支记录的噪声基线，（B）使用 μCEA 电极和（C）使用纳米袖套电极。比例尺 = 1mm。

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04. 体内电生理学

记录：将双极钩状电极放置在坐骨神经的近端，同时将 μCEA 放置在皮神经分支上，以测量诱发的神经活动（图 5A）。将两根肌电图（EMG）针状电极插入外侧胫骨前肌进行记录。使用 μCEA 在麻醉动物中以 40kHz 的频率记录诱发的复合动作电位，使用的是 Omniple*® 神经数据采集系统。使用 Neuroe*plorer 和定制的 MATLAB 程序进一步处理记录的神经活动，以评估信号特征。

刺激：对于神经刺激，将 μCEA 放置在坐骨神经的一个神经束上，并连接到一个恒流 Ple*on 刺激器。使用阴极先导双相脉冲通过 μCEA 中的单个电极和电极组进行刺激，以引发肌肉活动。使用通过四通道 Biopac MP36 采集系统插入后肢肌肉的针状电极进行肌电图记录。使用 Biopac 软件分析记录的数据。

图5. 诱发神经活动记录。A）实验设置。放置在坐骨神经上的双极钩状电极用于刺激。μCEA 放置在远端皮神经分支上用于记录。（B）显示植入的 μCEA（绿色箭头）和放置在 μCEA 微通道上的神经（*色箭头）的图片。C）μCEA 中 3 个电极触点记录的诱发复合动作电位的代表*记录。

三、结果与讨论

01. 对电极设计的控制

μCEA 电极的设计旨在实现对微通道尺寸、电极数量、电极间距以及每个电极表面积的精确控制。微通道的尺寸，如宽度和深度，可以制作成适合特定目标神经直径的尺寸。通道的宽度和深度可以分别通过硅间隔芯片的厚度以及间隔边缘与外壁顶部边缘之间的相对距离来精确控制。电极的数量、电极间距以及每个电极的表面积可以根据记录和刺激的需要进行改变。此外，μCEA 的制作基于可靠的硅制作技术。

02. 神经调节

噪声基线：图 4 显示了市售的内径为 160μm 的纳米袖套和微通道宽度为 200μm 的 μCEA。计算得出，使用 μCEA 在坐骨神经皮支中记录的噪声基线大约是使用纳米袖套记录的噪声基线的十分之一。

0201.诱发复合动作电位测量

将钩状电极放置在坐骨神经的近端，将 μCEA 放置在皮神经分支上，以测量诱发的复合动作电位。在对近端坐骨神经进行电刺激后，放置在微通道两侧的所有电极都记录到了复合动作电位。图 5C 显示了从 μCEA 中的三个不同金电极记录的代表*复合动作电位（电极位置见图 2A），以及在时间 / 电压刻度上显示的恒流脉冲，并带有电流到电压的刻度。

0202.刺激诱发神经活动

通过 μCEA 进行电刺激会引发生理效应。通过单个电极以及电极阵列中的一组电极进行恒流刺激，同时记录外侧胫骨前肌的肌电图，以评估刺激的效果。图 6 中所示的样本描绘了对 12μA、30μs 脉冲持续时间、2Hz 的阴极先导双相脉冲的响应所记录的复合肌肉活动。这种刺激还导致了可见的后肢运动，并且当所有电极同时刺激时，在低至 1μA 的电流下观察到了强烈的肌肉收缩。这表明使用 μCEA 连接的神经束中的多个触点可以进行低幅度的有效刺激。μCEA 通过单个电极和组合电极进行的电刺激是其在生物电子医学应用中的潜在应用基础。

图6. 使用 μCEA 进行神经刺激。坐骨神经的皮支被 μCEA 电刺激，并记录到外侧胫骨前肌中诱发的复合肌肉活动。

03. μCEA 的潜在临床应用

据报道，电针治疗对治疗炎症*疾病（如哮喘、贝尔氏面瘫、类风湿*关节炎和炎症*肠病）以及心血管疾病（如高血压、中风和心律失常）具有有益效果。虽然导致这些临床效果的确切机制尚不清楚，但越来越多的证据表明，外周神经系统（包括躯体神经和自主神经）的神经调节可能与之有关。这已经被提出，因为刺激躯体传入神经元活动，如腓总神经的电针刺激，可以显著降低血压。小神经束的神经连接可以避免电针治疗中固有的一些问题，如：针刺插入的可变*、插入深度、针刺插入角度、实现*大临床效益所需的针的放置和数量。所报道的 μCEA 可用于测试小神经束的临床效果。

四、总结

我们开发了一种 μCEA，与当前技术相比，它可以相对轻松地连接直径小于 300μm 的小神经。验证实验证明了通过小神经束的单个触点进行刺激 / 记录的能力。小尺寸、多个触点、微通道信号放大以及易于部署等特点，支持将 μCEA 电极用于生物电子应用。

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