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 3D 神經(jīng)接口時一直面臨重重困難。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)計限制。

2025年3月5日，南極熊獲悉，來自釜山國立大學(xué)和首爾國立大學(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。這項技術(shù)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(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(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?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(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 的有效性通過計算機(jī)模擬和小鼠模型的體外實驗得到進(jìn)一步驗證。研究結(jié)果表明，3D 結(jié)構(gòu)改善了電場的定位，減少了有效刺激所需的電流。

小鼠視網(wǎng)膜的鈣成像證實，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，耐用性也是另一個關(guān)鍵因素。機(jī)械和電化學(xué)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(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，確保了長期可靠性。

這項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驗室系統(tǒng)中的潛力，在這些領(lǐng)域，精確的 3D 微結(jié)構(gòu)可能會產(chǎn)生真正的影響�，F(xiàn)在的重點是改進(jìn)制造工藝，以用于更廣泛的醫(yī)療應(yīng)用。

△體外視網(wǎng)膜實驗用于評估 μETF MEA 對視網(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)隊確保凝膠材料在保持柔軟結(jié)構(gòu)的同時保持導(dǎo)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(jīng)信號。

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。項目由 BRAIN 計劃下 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(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，同時減少了組織損傷。