有机电化学晶体管和pn二极管技术的灵活可寻址电极阵列

研究背景

可植入的电生理神经接口将电子器件与神经组织连接起来，是基础神经科学和转化应用的前沿研究领域。现有的神经电极技术研究大多集中在无源电极阵列上，这些电极阵列可提供高分辨率界面，用于解读感觉输入和实现高性能神经运动假肢。然而，由于需要将每个电极点连接到外部电子设备，导致接口体积庞大，因此大规模集成此类无源设备以匹配高密度神经群体具有挑战性。减少采集电子设备面积的一个可行方法是在前端电子设备中进行预放大后，支持多个电极点之间的时分复用。这种结构的成功实施依赖于硅互补金属氧化物半导体(CMOS) 技术，电极直接集成在CMOS 底上，并被制成针形或柄形。然而，硅基电子器件与软组织之间的机械不匹配往往会导致炎症反应，在植入电极周围形成神经胶质癌痕。因此，亟需开发用于神经应用的生物相容性软电子器件，以改善与神经组织的机械接口。

为了提供软性有源电子器件，基于导电聚合物(CP)的探针可定制为高度柔性(硬度低于100 MPa，而最薄的硅的硬度大于100 GPa)。将CP直接图案化到薄膜塑料上，可制造出适用于各种电生理学应用 (包括记录和刺激)的超薄神经植入物。特别是，将氯化石蜡集成到有源器件中可产生有机电化学晶体管(OECT)技术，这是一种使用水电解质作为电介质的高增益传感器。在OECT中，当在电解质和 OECT 源极之间施加栅极电压(VGS) 时，沟道中的 CP 会将电解质离子吸收到其体液中，由于离子耦合电子电荷补偿作用施加漏源电位(VDS)后源极-漏极电流(ID)会发生重大变化。目前基于 OECT的有源矩阵寻址器是通过在扫描线和栅格线网络中的单元素 OECT 上依次施加 VDS 来实现多路复用。然而，CP 的高电容对前端放大器产生高跨电导至关重要，会导致关断状态下的高漏电流。此外，在主动 OECT 开关期间沟道/电解质界面上的充电电流可达微安级。虽然这些栅极瞬态可用于细胞培养中的电穿孔，但在体内可能会导致不必要的神经激活。此外，在体内记录时，由于 OECT 操作是通过普通电解质 (即脑脊液)进行的，这些瞬态可能会导致相邻通道之间的电子串扰。因此，要构建大规模电化学多路复用器，需要采用新策略来选择有源 OECT，例如与 OFET 开关集成。

研究成果

有机神经植入物具有有效的离子-电子信号转换和机械灵活性，因此在生物兼容神经接口方面大有可为。然而，由于缺乏在前端实现复杂有源电路的电路元件，目前的方法主要局限于无源电极。在这里，哥伦比亚大学Ilke Uguz教授团队介绍了一种 p-n 有机电化学二极管，它采用互补的 p 型和 n型导电聚合物薄膜，嵌入直径为 15 μm的垂直堆栈中。利用封装阳离子在聚合物堆栈内的高效运动以及组成聚合物的相反掺杂机制，展示了高电流整流比 (105) 和快速开关速度(230 μs)。在记录阵列的前端像素中集成了 p-n 有机电化学二极管和有机电化学晶体管。这种配置有利于在同一电解液中运行的大型网络中获取有机电化学晶体管的输出电流同时由于反向偏置漏电最小化而将邻近元件的串扰降至最低。此外，我们还利用这些器件制造了时分多路复用放大器阵列。最后，我们还展示了在以柄格式制造时，这种技术能直接在有源记录像素(直径为 26 μm)中多路复用放大的局部场电位其微创外形尺寸仅为 50 x 8为μm2。相关研究以“Flexible switch matrix addressable electrode arrays with organic electrochemical transistor and pn diode technology”为题发表在Nature Communications期刊上。

图文导读

Fig. 1 | Structure and performance of p–n OEDs with p–n junction.

Fig. 2 | Long-term stability of the p–n OED.

Fig. 3 | OECT integration and inter-channel crosstalk.

Fig. 4 | Application of p–n OEDs for active multiplexing.

Fig. 5 | Integration of 8 × 4 cross-point topography inside a 50 µm shank for in vivo LFP recordings.

总结与展望

总体而言，本文介绍的 p-n OED拓扑结构以及n型和p型聚合物的前端集成是神经接口领域的首创。这项研究表明，有源有机电子材料可以成为高密度有源前端记录阵列的基础从而开发出具有更好机械顺应性的高分辨率神经接口。

文献链接

Flexible switch matrix addressable electrode arrays with organic electrochemical transistor and pn diode technology

https://doi.org/10.1038/s41467-023-44024-1

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