深圳先進院成功開發可普適于神經界面、水氧化及抗生物污染的電極材料
近日，中國科學院深圳先進技術研究院醫工所微納中心吳天準研究員團隊成功研發出一種普適于神經界面、水氧化及抗生物污染的功能化電極材料。相關研究成果以Platinum Nanocrystal Assisted by Low-Content Iridium for High-Performance Flexible Electrode: Applications on Neural Interface, Water Oxidation and Anti-Microbial Contamination為題在線發表于材料界面的權威期刊Advanced Materials Interfaces上（DOI: 10.1002/admi.202100965），并被選為封面文章（Front Cover）。論文第一作者為曾齊助理研究員，通訊作者為吳天準研究員。
近年來，侵入式和植入式器件已廣泛應用于人造耳蝸、人造視網膜、深腦刺激器等神經假體，以便治療和診斷神經疾病。其中神經電極作為連接內部組織與外部設備之間的橋梁，正朝著微型化和集成化的方向發展，這將為臨床提供更高的電刺激/記錄效率。然而，電極尺寸的大幅度縮小會造成極大的界面阻抗，嚴重降低了其電荷存儲和注入能力等性能，從而限制了其臨床應用。基于上述考慮，吳天準研究員及曾齊助理研究員等人在前期工作中已成功研發出鉑、銥納米修飾材料（Electrochim. Acta, 2017, 237, 152-159; Adv. Mater. Interfaces, 2019, 6, 1900356; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 14495-14506; IEEE Sens. J. 2021, 21. 22868-22877），有效改善了神經電極的電學性能和刺激效率。
團隊在前期基礎上，進一步開發出了具有極大表面積的3D鉑納米枝晶，同時利用極慢速掃描沉積的方法將低含量的氧化銥納米顆粒（＜3 wt% Ir）較好地附著于鉑納米枝晶結構上。研究結果表明，在微電極表面（電極直徑：200 mm）修飾鉑納米枝晶材料后，電化學阻抗相比未修飾電極降低94%以上，陰極電荷存儲能力增大了30倍。繼續修飾低含量的氧化銥納米顆粒，可使上述性能迅速翻倍，這是由于該復合材料表面通過可逆法拉第過程注入電荷時，有相應的氧化還原反應發生，此時電極/組織界面可以容納更多的電荷。該復合材料修飾的電極在經過1億多次的連續電脈沖刺激后，氧化銥薄層仍然牢固附著在鉑枝晶結構上，電性能無顯著下降，穩定性優異。
另外，鑒于鉑和銥優異的催化性能，常作為析氫反應（HER）和析氧反應（OER）的電催化劑。本團隊在前期已通過電沉積手段制備了一種鉑納米材料，在HER中表現出巨大潛力（Chin. Chem. Lett. 2020, 31, 2478）。然而，水的電解效率往往受限于OER的高過電位。基于此，團隊將修飾有上述低含量氧化銥的鉑納米枝晶電極用于OER，發現在0.5M H2SO4中僅需150 mV的低過電位，即可達到10 mA×cm-2的電流密度；氧化銥的加入使鉑納米枝晶的Tafel斜率降低了75%（~41 mV×dec-1）。在該電流密度下經過12h的恒電流測試后，電極表面的微觀結構和催化性能未發生明顯變化，表現出優異的催化穩定性。此外，考慮到微生物粘附引起的生物污染會限制植入器件的服務周期，團隊進一步探索了該電極的抗微生物污染能力。研究發現，經培養48h后，大腸桿菌在具有鉑銥納米復合枝晶結構的電極表面覆蓋率遠遠低于平面鉑電極，證實了其潛在的抗菌能力。
上述研究成果有效解決了現有的技術短板，可操作性強，能批量生產，可普適于神經界面、水氧化、抗生物污染等方面，有望廣泛應用于神經假體、高效刺激/記錄電極、生物傳感等柔性生物電子，以及能量存儲等實際應用領域。
上述研究得到了國家自然科學基金、廣東省自然科學基金、深圳市科創委等項目的資助。
圖二 氧化銥/鉑納米枝晶電極修飾流程示意圖，及其分別用于神經電極、水氧化和抗生物污染方面的性能表征
