心房颤动（房颤）是最常见的心律失常。仅在美国就有220万人患有房颤。目前房颤治疗依赖于对心律失常区域的定位和切除。通过将侵入式的导管电极置入心脏内部并记录心电活动，临床医生就可以定位引发房颤的部位并将其切除。尽管目前已有治疗方法，但房颤的成因仍无具体定论，并且每一个患者的情况的都不尽相同。然而目前对房颤的治疗和研究都被导管电极的低分辨率和有限的检测区域（仅能记录心脏内部的电生理活动）所限制。为达到精准治疗的目的，并验证关于房颤成因的假设，必须要开发高分辨率的心脏表面电生理活动检测仪器和技术。
解决这一挑战最理想的方法之一就是高密度的直接接触式心脏电极阵列，此类电极可以在心脏表面记录细胞级别的电生理活动。近些年来，薄膜电子被开发用于心肌电的实时记录，然而早期的薄膜电极采用的金属导体的不可拉伸性使其很容易在心脏运动过程中脱落。在此基础上开发的蛇形线薄膜电极阵列虽然大大提高了电极的共形性，但这建立在牺牲电极密度的基础之上，精准定位能力变差。另一种技术路线是光学测量法，通过电压敏感染料来感应心肌电信号，但是染料有一定的生物毒性，并且不易从组织上去除。
近日，斯坦福大学化工学院鲍哲南院士课题组与斯坦福大学医学院Anson M. Lee教授合作，指出解决上述挑战的方法之一就是利用本质可拉伸的导电高分子作为电极材料，制备高密度的直线形电极阵列。为实现上述目的，课题组采用了新开发的针对导电高分子的光刻技术对PEDOT:PSS进行加工，得到了大面积（100 cm2）的微米尺度电极阵列。在猪模型和兔模型实验中，该电极阵列都提供了清晰、可靠、高密度的心电活动信号，为房颤的研究和治疗提供了全新的工具。
1、器件制备与组装
基于高分子材料的器件微纳结构制备的难点在于传统的光刻技术会在加工过程中使用不同的溶液，这会引起本质可拉伸导电高分子的溶胀。为解决这一问题，研究人员采用了新开发的光刻工艺流程对PEDOT:PSS水凝胶进行加工。其工艺核心是在PEDOT:PSS水凝胶固化后，先在其上表面蒸镀40 nm的金薄膜作为掩膜，再在金薄膜上旋涂光刻胶。在光刻胶显影后，采用干法刻蚀对金和PEDOT:PSS进行加工，并将金和PEDOT:PSS凝胶电极一并封装后，采用各向异性导电薄膜连接电极与信号传输线。该工艺使导电高分子凝胶兼容传统光刻工艺，使其可以在0.25 cm2内加工成10 μm以下尺寸的电极阵列。不过过小的电极尺寸会导致信噪比降低，因而本研究中电极尺度控制在80 100 m2（宽厚）。
2、电极阵列的力学特性及共形贴附
通过在电极阵列平行方向和垂直方向施加0 – 50%的应变（图2A），研究人员考察了电极在心脏扩张和收缩时耐受其应变的能力。值得注意的是，在沿平行方向拉伸20%时，可以观察到金薄膜已经明显断裂（图2B），不过由于金的电导率远高于PEDOT:PSS，因此仍可以显著提高电极的导电性。在电-机械测试中，无应变和20%应变时的阻抗差值小于10%；在循环稳定性测试中，经过10000次20%拉伸应变循环后，电极阻抗的总变化小于5%（图2C、D）；在水环境中，800 nm的封装层处的阻抗大于1 G，比电极阻抗大3个数量级。上述测试说明了薄膜电极阵列具有耐受心脏跳动产生的应变的能力。
进一步地，尽管薄膜电极本身与心脏平整就具有良好的黏附性，为进一步提升体内环境中电极与心脏复杂表面贴合度，研究人员合成了包含聚多巴胺的水凝胶黏附层BOBA辅助薄膜电极阵列的贴合。在猪心脏的离体测试中，电极阵列和BOBA的低模量使其几乎不对心脏的正常活动造成影响（图2E、F）。
3、薄膜电极阵列在兔模型上记录快速、规律的心电信号
在兔模型上，研究人员检验了电极阵列记录正常状态下规律、快速心跳的能力。通过与具有近似的柔软度的柔性不可拉伸电极阵列（图3C）的体内对比试验发现，不可拉伸拉伸电极在10000次10 – 20%的拉伸形变后会出现明显的损伤，然而本质可拉伸的电极阵列仍保持完好，并提供稳定的信号，说明可拉伸性对心脏表面的电信号记录具有重要意义。
与在体表进行测试的传统心电图（EKG）进行对比（图3D），在心脏表面的电极能提供更为清晰稳定的信号。如果进一步采用BOBA粘合，能进一步将信号峰值从166.5 ± 23.1提升至520.4 ± 34.5 μV，将检测周期内峰值差异从91.4 ± 16.5缩小至32.7 ± 5.6 μV，并将信噪比从19.6 ± 1.8提升至102.7 ± 9.4。这一结果表明电极在心脏表面的共形贴附对持续稳定记录高质量的心电信号至关重要。
4、正常状态下在猪模型上可拉伸薄膜电极阵列与商用笼形电极阵列对比试验
猪模型上的体内试验更接近于临床状态，由于猪心脏跳动的形变更为剧烈，因而原本的PDMS+二丙烯酸酯改性全氟聚醚（PFPE-DMA）封装被改为PFPE-DMA单层封装以增加粘附性，并将改进后的电极阵列用于在心脏表面记录右心房心电活动。作为对比，商业化的笼形电极通过常规手术置入右心房内部，在心脏内记录心电活动。对比结果表明尽管薄膜电极阵列极小的覆盖面积（比笼形电极小1000倍）使得阻抗提升，降低了波峰-波谷的峰值差异，但是能有效减少来自心室活动对心房信号记录的干扰（图4E、F）。
通过薄膜电极阵列转换来的等时图可以计算得到动作电位传播速度为1.16 m/s，与之前的研究结果匹配。此外，通过起搏电极在心脏表面激起的反向电位信号也能被薄膜电极阵列准确识别（图4G、H）。上述研究结果表面了薄膜电极阵列具有在临床上记录可靠信号的潜力。
5、人为引发房颤的猪模型上可拉伸薄膜电极阵列与商用笼形电极阵列对比试验
通过在正常猪模型上植入起搏器，并给予非正常的起搏频率，可以得到患有房颤的猪模型。按照先前的方式植入薄膜电极阵列和笼形电极阵列，研究人员获得了房颤猪模型的心脏表面和心脏内心电图信号（图5B）。由于薄膜电极阵列在较小的检测范围内具有远高于笼形电极阵列的分辨率（图5D、E），因而首次记录到了之前没有发现的更精细的房颤状态下的心肌电信号活动（图5F）。研究人员还进一步对信号进行了处理，并证实薄膜电极阵列与笼形电极阵列联用能帮助医生定位导致房颤产生的异常信号发生的位置，为进一步的手术处理提供更为精确的信息。
6、总结
在本文中，研究人员基于导电高分子凝胶制备了一种本质可拉伸的高密度薄膜电极阵列，并将其成功用于心脏表面的心电活动记录。该电极阵列可以在小面积内提供高分辨率、高信噪比的精细心电活动信号，用于补充传统笼形电极提供的大面积但低分辨率的心电信号。在兔和猪模型上的试验证明了该电极临床应用的可行性，为精确定位病灶和研究房颤病因提供了有力的工具。
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