微结构阵列电极浅析

◎孙东姣 张馨雨 黄瑶 姚换旭 张腾

引言：近年来，我国医疗器械行业迅猛发展，然而我国在先进医疗器械领域和发达国家仍具有一定的差距。先进医疗器械通常需要融合多种技术，包括精密制造技术、电子技术、通讯技术和生物技术等，属于高精尖行业，具有较高的创新性和附加值。生物电是人体最基本的生理现象，通过检测生物电的特征可以对人体内部状况进行诊断。生物医用电极作为生物电采集系统的关键元器件，很大程度决定了生物电的深入研究。因此，生物医用电极的研发具有重要的研究意义和市场价值。以脑电信号采集为例，临床里用于常规脑电图记录的电极主要有柱状电极、盘状电极和针电极。其中，常用的柱状电极和盘状电极在电信号采集过程中较为复杂且电阻较大，不利于信号分析。针电极用针尖裸露而针体绝缘的银针刺入头皮记录，虽然操作简单且电阻小，但给病人造成疼痛，并容易引发感染。为了克服以上缺点，微结构阵列电极近几年被广泛关注其能减小了对人体的伤害，同时提高导电性。

一、电极的分类

微结构阵列电极针尖直径一般为30-80 微米，长度100 微米，可刺入皮肤的角质层（厚度一般10-15 微米）到达导电表皮层（厚度一般为50-100 微米）而不达到真皮层，生物医用电极使用过程中需要与人体直接接触，要求电极表面材料具有良好生物的兼容性，对人体无毒无害，不能对人体产生过敏等不良反应。目前研究的电极根据是否使用导电凝胶分为湿式电极和干式电极。

1.湿式电极。湿式电极使用时必须用导电凝胶实现表皮与电极的稳定接触，使用前需要进行皮肤处理，尽可能擦除角质层会引发不适感，导电凝胶会随着时间导电性能发生变化和测试结果不准确。

2.微结构阵列电极。微结构阵列电极在脑电信号采集系统主要由4 部分组成：微结构阵列电极、放大器、信号传输部分、电源。将微结构阵列电极置于被测者头皮上采集脑电信号，将采集到的脑电信号传输给放大器，放大器对脑电信号进行放大、滤波等处理，由信号传输部分进行A/D转换等处理，再进行后续处理。脑电信号采集导联方式分为单极导联和双极导联，单极导联将作用电极放置在被测者的头皮上，参考电极放在被测者的耳垂处，耳垂处的电位接近于零，作用电极的电位即脑电信号的大小；双极导联则将两个电极放置在被测者的头皮上，两个电极的电位差即脑电信号。

微结构阵列电极的制备是要在硅片表面旋涂光刻胶，通过掩模、紫外曝光光刻和反应离子刻蚀（RIE）刻蚀，制备Si 微米阵列，利用光学显微镜和扫描电子显微镜观测微米阵列的相关参数，调整光刻胶厚度和RIE 参数，调控微米阵列中单一针尖长度约为100 微米，直径约为30-50 微米。利用电子束蒸发设备在Si 微米阵列表面蒸镀金属电极，提高电极导电性。与中医药大学附属医院脑电科室合作，检测所制备微米阵列电极性能，并进一步改进工艺。

二、结语

生物医用电极作为生物电采集系统的关键元器件，很大程度决定了生物电的深入研究。因此，生物医用电极的研发具有重要的研究意义和市场价值。