微電極陣列（MAE）是研究細胞電生理學的重要工具之一，電極設計和材料已成為微電極陣列日益重要的性能驅動因素。目前正在進行的研究工作不斷對各種電極形狀、尺寸和材料進行創新。廣泛的設計和制造參數空間為優化性能和功能拓展提供了豐富的機會，但由于缺乏輔助設計工作的可預測的仿真軟件，這給微電極開發人員帶來了挑戰。微電極原型開發通常需要制造、經驗評估和反復優化，這一過程成本高昂。因此，開發高效的硬件測試方案對微電極研發而言變得越來越重要，尤其對于候選設計眾多的早期階段。
據麥姆斯咨詢報道，近日，瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）和土耳其中東科技大學（METU）的研究人員組成的團隊提出并實現了一種具有成本效益的測試平臺，旨在從微電極原型中獲取一階特性，為早期階段的篩選和改進提供信息。通過對MEMS電極的測試，該平臺顯示出與商用設備相當的阻抗測量精度，并能有效記錄體外大鼠皮質神經元的細胞外動作電位（EAP）。與現有的硬件解決方案相比，該測試平臺在成本、結構緊湊和組裝簡便性方面具有明顯優勢，能夠顯著降低電生理微電極陣列開發的準入門檻。上述研究成果以“A Low-Cost Multimodal Testbed for Array-Based Electrophysiological Microelectrodes”為題發表于Sensors期刊。
測試平臺架構
為了滿足微電極測試要求，研究人員提出并實現了一種新的測試平臺。研究人員在一定程度上利用了低成本、現成的單板微控制器/片上系統的興起，圍繞STEMLab 125-10（Red Pitaya）構建了系統。當與具有相對較少電子元件的定制前端板配合使用時，該平臺能夠以多功能和緊湊的形式執行多路復用、放大、信號記錄和生成功能（圖1）。然而，與完整的微電極陣列系統不同，該平臺采用了最少數量的放大器，并選擇多路復用多達60個電極，從而降低了成本，同時仍然能夠以良好的吞吐量測試足夠數量的微電極。測試平臺的基本功能可以組合成各種配置，以提供兩種相關的微電極測試：電化學阻抗譜（EIS）和電生理記錄（ER）。測試平臺的組裝成本約為500歐元，相較于先前提到的替代方案，成本降低了10到100倍。此外，由于所需的大部分電氣功能和代碼庫均由現成的STEMLab提供，因此該測試平臺也更易于組裝。
圖1 測試平臺的架構和物理實現
受試微電極的制造、封裝和接口
為了將測試平臺的前端與微尺度電極連接，研究人員通過微加工制造了一批無源微電極陣列芯片，包含多種待測試的電極設計。這些芯片被封裝在一個適配器印刷電路板（PCB）上，并通過PCIe插槽與前端板連接。封裝后的器件可用于體外細胞培養，以進行電生理記錄測試。
根據開發者希望測試的特定電極設計，研究人員所述的微電極芯片布局和封裝方案可能需要進行調整，但總體上應可作為一種通用的測試載體模板，適用于將各類待測微電極與測試平臺連接。該模板最多可支持60個基于陣列的電生理微電極的測試。
該微電極陣列采用標準潔凈室技術進行微加工。
圖2 微加工制造的微電極陣列
電化學阻抗譜測試
對于電化學阻抗譜測試，系統配置為雙終端設置（圖3a）。該雙終端系統的阻抗由其兩終端之間的電壓（復數形式）與流經系統的電流（復數形式）之比得出。由于參考電極是串聯連接的，且明顯大于工作電極，因此其阻抗貢獻可忽略不計，而整體阻抗僅歸因于測試中的工作電極。根據這一假設，被測系統的阻抗被視為工作電極的阻抗。
為驗證測試平臺的準確性與重復性，研究人員首先比較了測試平臺與一款商用阻抗分析儀（MFIA，Zurich Instruments）在相同的測試負載下獲得的阻抗譜。測量是在10–10? Hz的典型電生理頻率范圍內進行的。
圖3 電化學阻抗譜測試的系統配置及測試結果
每臺儀器在同一負載下重復測量15次，并提取阻抗幅值譜（圖3b）。與商用設備相比，盡管測試平臺測得結果的標準差更高，但兩者獲得的阻抗幅值的平均值非常接近。
電生理記錄測試
雖然電化學阻抗譜可用于測試與記錄鏈路其余部分解耦的微電極，但不同的生物細胞培養物或組織可能對電極材料和幾何結構表現出不同的響應。細胞和微電極之間的生物相容性和粘附親和力會影響細胞-電極耦合性能。因此，該平臺被設計用于進行第二項測試，即電生理記錄，其中該平臺被配置為記錄來自不同細胞類型和鋪板方案（plating protocols）的相關信號。該測試旨在驗證能否從被測微電極獲得電生理信號，并產生可識別的信號或可檢測的尖峰幅值。
為了驗證電生理信號記錄功能，研究人員使用直徑為8 μm的掩膜開口制造的Pt-Black微電極，從原代大鼠皮層神經元中記錄細胞外動作電位。
研究人員在體外培養（DIV）第30-31天記錄了六個具有8 μm直徑Pt-black電極的微電極陣列，其中三個顯示了電生理活動。圖4c顯示了三個具有活性細胞培養物的芯片的輸入參考噪聲分布，顯示出合理的電極間和芯片間的可變性。圖4e顯示了來自這三個芯片上的不同電極記錄的包含細胞外動作電位的代表性電壓軌跡。細胞外動作電位幅值的直方圖如圖4d所示。檢測到的細胞外動作電位幅值驗證了典型原代神經元培養物與受試電極的特定尺寸和材料選擇之間的相容性和粘附親和力。所提出的測試平臺能夠以信噪比超過10的水平分辨大量細胞外動作電位信號——完全符合成本更高的完整微電極陣列記錄系統的典型性能要求——顯示了該平臺在以尖峰幅值統計作為測試指標方面的成本效益優勢。
圖4 電生理記錄測試的系統配置及測試結果
小結
綜上所述，這項研究設計并演示了一種低成本、結構緊湊且易于組裝的多模態測試平臺，用于電生理微電極陣列。該系統的成本僅為同類商業設備的十分之一甚至百分之一，就能在與多種類型電生理信號相關的頻率范圍內準確分辨不同微尺度尺寸和材料選擇的電極之間的阻抗差異。該平臺還被用于記錄大鼠皮層神經元的細胞外動作電位，其信噪比可與成本更高的微電極陣列記錄系統相當。兩項測試結果表明，該測試平臺有助于電生理微電極的早期開發，并能降低微電極陣列開發的入門門檻。
論文鏈接：
https://doi.org/10.3390/s25092874
