微電熱成型 (μETF)技術制備3D微結構，可用于增強神經接口

導讀：多年來，研究人員在設計 3D 神經接口時一直面臨重重困難。傳統(tǒng)的微機電系統(tǒng) (MEMS) 技術需要多個制造步驟才能將 3D 微結構構建到平面 MEA 上，這使得制備過程變得復雜，并且限制了可以實現的形狀多樣性。傳統(tǒng)上采用光刻、真空沉積和蝕刻等方法，但這些方法存在設計限制。

2025年3月5日，南極熊獲悉，來自釜山國立大學和首爾國立大學的研究人員提出了一種能夠成形接近人體神經組織的微電極陣列 (MEA) 的微電熱成型 (μETF)技術，可為記錄和刺激應用建立有效的神經接口。這項技術簡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)建復雜 3D 微結構的過程。

相關研究以題為“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）在一個步驟中將平面電極陣列塑造成 3D 微結構。

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

Jeong 博士說道:“這項研究的靈感來自對外賣咖啡杯塑料蓋的簡單觀察。我意識到這種塑性成型方法可以在微觀層面應用，為神經電極創(chuàng)建 3D 結構，”。

△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 結構。圖片來自 PNU

改善神經刺激和耐久性

研究團隊應用 μETF 技術成功制作出具有 80 微米高凸起和凹陷的 MEA，可在同一電極陣列內創(chuàng)建不同的形狀，為針對特定神經應用定制更多定制微電極結構鋪平了道路。

視網膜刺激實驗中的測試表明，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)勢之一是它無需額外的加工步驟即可塑造 3D 微結構，它依靠液晶聚合物 (LCP) 作為熱塑性基材，具有耐用性、耐化學性和生物相容性。

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

這些 3D MEA 的有效性通過計算機模擬和小鼠模型的體外實驗得到進一步驗證。研究結果表明，3D 結構改善了電場的定位，減少了有效刺激所需的電流。

小鼠視網膜的鈣成像證實，突出電極比平面電極更有效地激活視網膜神經節(jié)細胞，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，耐用性也是另一個關鍵因素。機械和電化學評估證實，μETF 制造的 MEA 在生理壓力條件下保持了完整性。

即使經過反復變形，電氣性能仍保持穩(wěn)定，有限元分析表明，新設計最大限度地減少了嵌入導電層的機械應變，確保了長期可靠性。

這項研究的意義不僅限于神經植入，研究人員正在研究它在可穿戴電子設備、類器官研究和芯片實驗室系統(tǒng)中的潛力，在這些領域，精確的 3D 微結構可能會產生真正的影響。現在的重點是改進制造工藝，以用于更廣泛的醫(yī)療應用。

△體外視網膜實驗用于評估 μETF MEA 對視網膜下刺激的有效性。圖片來自 PNU。

3D打印在神經植入物方面的進展

3D 打印很少應用于神經植入領域。早在 2020 年，麻省理工學院(MIT) 的研究人員就利用 3D 打印和導電聚合物材料開發(fā)了柔軟、靈活的腦電極。這些植入物的設計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、適應性更強的替代品，而傳統(tǒng)金屬電極往往會導致炎癥和疤痕。

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，研究團隊確保凝膠材料在保持柔軟結構的同時保持導電性。早期對小鼠的測試證實了電極能夠高精度地檢測神經信號。

此外，卡內基梅隆大學的研究人員利用納米粒子 3D 打印技術開發(fā)出一種新型高密度神經探針，以增強神經數據記錄。項目由 BRAIN 計劃下 NIH 提供的 195 萬美元資助，旨在創(chuàng)建一種經濟高效的腦植入物制造方法。

在 Rahul Panat 和 Eric Yttri 的帶領下，研究團隊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。通過實現精確的腦機接口 (BMI) 和神經假體應用，AJP技術顯著提高了電極的可及性，同時減少了組織損傷。