《Applied Surface Science》：Neuronal interfaces based on UV-activated TiO
2 thin films grown via atomic layer deposition
編輯推薦：
為解決植入式神經電子接口長期穩定性問題，研究人員采用原子層沉積（ALD）在硅基底制備高 k 介電納米結構 TiO?薄膜，結合紫外激活處理。發現其具良好生物相容性與電性能，為植入式神經接口應用提供新方向。
大腦是人體最復雜的器官，隨著全球老齡化加劇，阿爾茨海默病、帕金森病等神經退行性疾�。∟D）發病率逐年攀升，給患者家庭和醫療系統帶來沉重負擔。目前，針對這些疾病的藥物治療進展緩慢，而神經刺激技術作為一種替代性或補充性療法，正逐漸成為研究熱點。然而，開發具有長期耐久性、穩定性和生物相容性的植入式神經元接口，以實現神經功能的有效修復（如神經生物混合體），仍是神經科學和精準醫學領域的重大挑戰。傳統的神經電極分為法拉第型（如貴金屬、導電聚合物、IrO?）和電容型（如 TiN、Ta/Ta?O?、HfO?、Ti/TiO?），盡管法拉第電極電荷注入量高，但電容型電極因無化學物質消耗、腐蝕風險低且長期穩定性更優而備受青睞。在此背景下，尋找兼具高介電常數（k）和良好生物相容性的介電材料，以實現大腦與電子設備之間的雙向高效通信，成為關鍵突破點。
意大利國家研究委員會（CNR）等機構的研究人員開展了相關研究，旨在開發基于原子層沉積（ALD）技術的新型植入式神經元接口材料。研究成果發表在《Applied Surface Science》上，為神經電子領域的發展提供了重要參考。
研究人員主要采用了以下關鍵技術方法：利用定制的水平熱壁管式流動型 ALD 反應器，以鈦（IV）異丙醇鹽 [Ti (OiPr)?] 為金屬前驅體，超純水為氧反應物，在 p?摻雜型 Si (100) 晶圓上沉積 TiO?薄膜；通過二次離子質譜（SIMS）、X 射線衍射（XRD）、X 射線光電子能譜（XPS）等手段對薄膜的成分、結構和表面性能進行表征；運用電化學方法（如電容 - 電壓（C-V）和電流 - 電壓（I-V）測試）在模擬體液（SBF）中評估薄膜的介電性能；通過體外培養神經元，利用光學顯微鏡觀察細胞的黏附、生長和存活情況，并通過全細胞電流鉗記錄進行電生理研究。
TiO? ALD 沉積
研究人員使用定制的 ALD 反應器，在 p?摻雜型 Si (100) 晶圓上成功沉積了 TiO?薄膜。該工藝以 Ti (OiPr)?為金屬前驅體，超純水為氧反應物，確保了薄膜生長的可控性和均勻性。
優化和表征
SIMS 深度剖析顯示，Ti 和 O 元素在薄膜中分布均勻，與 Si 基底界面清晰，且碳污染極低，證實了薄膜成分的均質性。XRD 分析表明，所制備的 TiO?薄膜為多晶銳鈦礦結構，具有較高的結晶度。XPS 結果顯示，薄膜表面存在豐富的羥基基團，為后續的表面改性提供了基礎。接觸角測量表明，紫外（UV）處理后，TiO?薄膜表面潤濕性顯著提高，從疏水狀態轉變為超親水狀態，這有利于聚賴氨酸（PLL）的吸附和神經元的黏附。
電化學性能
在 SBF 溶液中進行的 C-V 和 I-V 測試顯示，ALD-TiO?薄膜表現出典型的電容行為，具有較寬的非法拉第電位范圍和明顯的陰極閾值電壓，表明其適用于植入式電容型電極。高介電常數（k 值）的特性進一步增強了神經元與半導體芯片之間的信號傳遞效率，為雙向通信提供了良好的電學基礎。
生物相容性和電生理研究
體外神經元培養實驗表明，UV 處理后的 TiO?薄膜能夠支持神經元的黏附、鋪展和存活。光學顯微鏡觀察顯示，神經元在薄膜表面形成了良好的網絡結構，細胞形態正常。全細胞電流鉗記錄顯示，培養的神經元能夠產生穩定的動作電位，且具有良好的被動膜特性（如輸入電阻和時間常數），表明 TiO?薄膜與神經元之間具有優異的相容性，能夠維持神經元的正常電生理功能。
結論
本研究通過 ALD 技術成功制備了高 conformal、多晶銳鈦礦結構的 TiO?薄膜，結合簡單高效的 UV 表面激活處理，顯著提升了薄膜的表面潤濕性和生物相容性。電化學分析證實其具有適合植入式電極的非法拉第行為和高介電常數，體外神經元研究則表明其能夠支持神經元的存活和電生理活動。該研究為開發長期穩定、生物相容性優異的植入式神經電子接口提供了新的材料策略和技術路徑，有望推動神經假體和神經科學研究工具的發展，為神經退行性疾病的治療和神經功能修復帶來新的希望。研究結果不僅驗證了 ALD 技術在生物醫學領域的應用潛力，也為介電材料在神經接口中的設計提供了重要的理論和實驗依據。
