微電熱成型 (μETF)技術(shù)制備3D微結(jié)構(gòu),，可用于增強(qiáng)神經(jīng)接口

導(dǎo)讀：多年來,，研究人員在設(shè)計(jì) 3D 神經(jīng)接口時(shí)一直面臨重重困難。傳統(tǒng)的微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 技術(shù)需要多個(gè)制造步驟才能將 3D 微結(jié)構(gòu)構(gòu)建到平面 MEA 上,，這使得制備過程變得復(fù)雜,，并且限制了可以實(shí)現(xiàn)的形狀多樣性。傳統(tǒng)上采用光刻,、真空沉積和蝕刻等方法,，但這些方法存在設(shè)計(jì)限制。

2025年3月5日,，南極熊獲悉,，來自釜山國(guó)立大學(xué)和首爾國(guó)立大學(xué)的研究人員提出了一種能夠成形接近人體神經(jīng)組織的微電極陣列 (MEA) 的微電熱成型 (μETF)技術(shù)，可為記錄和刺激應(yīng)用建立有效的神經(jīng)接口,。這項(xiàng)技術(shù)簡(jiǎn)化了使用熱塑性塑料和 3D 打印模具在微電極陣列 (MEA) 上創(chuàng)建復(fù)雜 3D 微結(jié)構(gòu)的過程,。

相關(guān)研究以題為“Microelectrothermoforming (μETF): one-step versatile 3D shaping of flexible microelectronics for enhanced neural interfaces”的論文發(fā)表在《npj Flexible Electronics》雜志上，它提供了一種解決這些障礙的方法,，允許使用 3D 打印的模具（但不是最終電極本身的一部分）在一個(gè)步驟中將平面電極陣列塑造成 3D 微結(jié)構(gòu),。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41528-024-00378-0

Jeong 博士說道:“這項(xiàng)研究的靈感來自對(duì)外賣咖啡杯塑料蓋的簡(jiǎn)單觀察。我意識(shí)到這種塑性成型方法可以在微觀層面應(yīng)用,，為神經(jīng)電極創(chuàng)建 3D 結(jié)構(gòu),，”。

△通過一步式 μETF 工藝創(chuàng)建具有多種形狀和高度的多功能 3D 結(jié)構(gòu),。圖片來自 PNU

改善神經(jīng)刺激和耐久性

研究團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用 μETF 技術(shù)成功制作出具有 80 微米高凸起和凹陷的 MEA,，可在同一電極陣列內(nèi)創(chuàng)建不同的形狀，為針對(duì)特定神經(jīng)應(yīng)用定制更多定制微電極結(jié)構(gòu)鋪平了道路,。

視網(wǎng)膜刺激實(shí)驗(yàn)中的測(cè)試表明，這些 3D MEA 明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的平面電極,，所需的刺激電流減少了 1.7 倍,，空間分辨率提高了 2.2 倍,。

μETF 的最大優(yōu)勢(shì)之一是它無需額外的加工步驟即可塑造 3D 微結(jié)構(gòu)，它依靠液晶聚合物 (LCP) 作為熱塑性基材,，具有耐用性,、耐化學(xué)性和生物相容性。

LCP 的低吸水率也非常適合長(zhǎng)期植入,。雖然 LCP 是本研究中的首選材料,，但研究人員指出，μETF 可以應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)工程中常用的其他熱塑性塑料,。

這些 3D MEA 的有效性通過計(jì)算機(jī)模擬和小鼠模型的體外實(shí)驗(yàn)得到進(jìn)一步驗(yàn)證,。研究結(jié)果表明，3D 結(jié)構(gòu)改善了電場(chǎng)的定位,，減少了有效刺激所需的電流,。

小鼠視網(wǎng)膜的鈣成像證實(shí)，突出電極比平面電極更有效地激活視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞,，無論是在較低所需電流方面還是在較高空間精度方面,。

除了性能之外，耐用性也是另一個(gè)關(guān)鍵因素,。機(jī)械和電化學(xué)評(píng)估證實(shí),，μETF 制造的 MEA 在生理壓力條件下保持了完整性。

即使經(jīng)過反復(fù)變形,，電氣性能仍保持穩(wěn)定,，有限元分析表明，新設(shè)計(jì)最大限度地減少了嵌入導(dǎo)電層的機(jī)械應(yīng)變,，確保了長(zhǎng)期可靠性,。

這項(xiàng)研究的意義不僅限于神經(jīng)植入，研究人員正在研究它在可穿戴電子設(shè)備,、類器官研究和芯片實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中的潛力,，在這些領(lǐng)域，精確的 3D 微結(jié)構(gòu)可能會(huì)產(chǎn)生真正的影響�,，F(xiàn)在的重點(diǎn)是改進(jìn)制造工藝,，以用于更廣泛的醫(yī)療應(yīng)用。

△體外視網(wǎng)膜實(shí)驗(yàn)用于評(píng)估 μETF MEA 對(duì)視網(wǎng)膜下刺激的有效性,。圖片來自 PNU,。

3D打印在神經(jīng)植入物方面的進(jìn)展

3D 打印很少應(yīng)用于神經(jīng)植入領(lǐng)域。早在 2020 年,，麻省理工學(xué)院(MIT) 的研究人員就利用 3D 打印和導(dǎo)電聚合物材料開發(fā)了柔軟,、靈活的腦電極。這些植入物的設(shè)計(jì)符合大腦的自然輪廓，為傳統(tǒng)金屬電極提供了一種更安全,、適應(yīng)性更強(qiáng)的替代品,，而傳統(tǒng)金屬電極往往會(huì)導(dǎo)致炎癥和疤痕。

通過將聚（3,4-乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸鹽 (PEDOT:PSS) 精煉成可打印的水凝膠,，研究團(tuán)隊(duì)確保凝膠材料在保持柔軟結(jié)構(gòu)的同時(shí)保持導(dǎo)電性,。早期對(duì)小鼠的測(cè)試證實(shí)了電極能夠高精度地檢測(cè)神經(jīng)信號(hào)。

此外,，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員利用納米粒子 3D 打印技術(shù)開發(fā)出一種新型高密度神經(jīng)探針,，以增強(qiáng)神經(jīng)數(shù)據(jù)記錄。項(xiàng)目由 BRAIN 計(jì)劃下 NIH 提供的 195 萬美元資助,，旨在創(chuàng)建一種經(jīng)濟(jì)高效的腦植入物制造方法,。

在 Rahul Panat 和 Eric Yttri 的帶領(lǐng)下，研究團(tuán)隊(duì)使用氣溶膠噴射打印 (AJP) 制造可定制的超高密度微電極陣列,，在分辨率和可植入性方面超越了傳統(tǒng)探針,。通過實(shí)現(xiàn)精確的腦機(jī)接口 (BMI) 和神經(jīng)假體應(yīng)用，AJP技術(shù)顯著提高了電極的可及性,，同時(shí)減少了組織損傷,。