近年來，侵入式和植入式器件已廣泛應(yīng)用于人造耳蝸、人造視網(wǎng)膜、深腦刺激器等神經(jīng)假體，以便治療和診斷神經(jīng)疾病。其中神經(jīng)電極作為連接內(nèi)部組織與外部設(shè)備之間的橋梁，正朝著微型化和集成化的方向發(fā)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(yán)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(yīng)用。基于上述考慮，研究人員在前期工作中已研發(fā)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(jīng)電極的電學(xué)性能和刺激效率。
在前期基礎(chǔ)上，研究人員進一步開發(fā)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(jié)構(gòu)上。研究結(jié)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(xué)阻抗相比未修飾電極降低了94%以上，陰極電荷存儲能力增大了30倍。繼續(xù)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(fù)合材料表面通過可逆法拉第過程注入電荷時，有相應(yīng)的氧化還原反應(yīng)發(fā)生，此時電極/組織界面可以容納更多的電荷。該復(fù)合材料修飾的電極在經(jīng)過1億多次的連續(xù)電脈沖刺激后，氧化銥薄層仍然牢固附著在鉑枝晶結(jié)構(gòu)上，電性能無顯著下降，穩(wěn)定性優(yōu)異。
此外，鉑和銥具有優(yōu)異的催化性能，常作為析氫反應(yīng)(HER)和析氧反應(yīng)(OER)的電催化劑。該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(xiàn)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?；诖?，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(fā)現(xiàn)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(jīng)過12h的恒電流測試后，電極表面的微觀結(jié)構(gòu)和催化性能未發(fā)生明顯變化，表現(xiàn)出優(yōu)異的催化穩(wěn)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(wù)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(fā)現(xiàn)，經(jīng)培養(yǎng)48h后，大腸桿菌在具有鉑銥納米復(fù)合枝晶結(jié)構(gòu)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(xiàn)有的技術(shù)短板，可操作性強，能批量生產(chǎn)，可普適于神經(jīng)界面、水氧化、抗生物污染等方面，有望廣泛應(yīng)用于神經(jīng)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(yīng)用領(lǐng)域。該研究得到了國家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、深圳市科創(chuàng)委等項目的資助。
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(jīng)電極、水氧化和抗生物污染方面的性能表征
