一種制造高度可拉伸且可定制化的微針電極陣列的方法

可拉伸微針電極陣列可以穿透生物表層組織，并與組織的運(yùn)動(dòng)形變相適應(yīng)，以微創(chuàng)的方式對(duì)生物體內(nèi)部進(jìn)行有針對(duì)性的傳感和電刺激。這種技術(shù)提供了穩(wěn)定的生物電子接口，從而提高了記錄信號(hào)的質(zhì)量，減少了組織損傷。在神經(jīng)科學(xué)、組織工程及可穿戴生物電子等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。然而，目前絕大多數(shù)微針都不具有可拉伸性，同時(shí)很難對(duì)微針電極的各種參數(shù)在單個(gè)器件層面進(jìn)行定制化（例如定制化電極的長(zhǎng)度分布、檢測(cè)區(qū)域等）。這主要是因?yàn)橹圃靹傂晕⑨橂姌O所采用的工藝與可拉伸柔性材料不兼容，同時(shí)在微針的三維結(jié)構(gòu)上面臨著材料集成和圖案化方面的挑戰(zhàn)。

美國(guó)南加州大學(xué)（University of Southern California）趙航波課題組在Science Advances期刊上發(fā)表題為“Highly stretchable and customizable microneedle electrode arrays for intramuscular electromyography”的封面文章，報(bào)道了一種新型可拉伸微針電極陣列的設(shè)計(jì)、制造和電生理傳感應(yīng)用。通過(guò)采用獨(dú)特的激光刻蝕、微加工和轉(zhuǎn)印的混合制造方案，制造了高拉伸性（60-90%），可單獨(dú)尋址的微針電極陣列。微針電極的形態(tài)、長(zhǎng)度、探測(cè)區(qū)域、阻抗和布局皆可通過(guò)低成本可規(guī)?；姆椒ǘㄖ?。此可拉伸微針電極陣列可作為生物電子接口，例如作者展示了用該電極陣列檢測(cè)海兔頰部各個(gè)肌肉群的肌內(nèi)肌電信號(hào)。論文的第一作者是南加州大學(xué)博士生趙其耐，同時(shí)參與這項(xiàng)工作的還有伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校（University of Illinois at Urbana-Champaign）的Rhanor Gillette和Mattia Gazzola課題組。

可拉伸微針電極陣列

可拉伸微針電極陣列由聚酰亞胺微針電極和蛇形彈性連接線構(gòu)成，涂覆金導(dǎo)電層，并與硅膠彈性體共價(jià)鍵合，實(shí)現(xiàn)高可拉伸性而不會(huì)剝離。

圖1 可拉伸微針電極陣列

圖2 可拉伸微針電極陣列的制造步驟示意圖

控制電極探測(cè)區(qū)域及微針的電學(xué)和力學(xué)表征

通過(guò)水凝膠-化學(xué)蝕刻控制微針尖端的導(dǎo)電區(qū)域。此方法可以針對(duì)不同長(zhǎng)度的微針精確控制尖端的傳導(dǎo)區(qū)域，以探測(cè)不同深度的組織。通過(guò)鉑黑涂層改變微針電極表面形貌，可以有效降低電極阻抗。利用高楊氏模量（E = 6.6 GPa）的聚酰亞胺作為微針的主體材料，使其穩(wěn)定地插入組織，而不會(huì)發(fā)生彎曲或斷裂。

圖3 電極探測(cè)區(qū)域和電阻抗的控制

微針電極陣列的可拉伸性

微針和蛇形連接線與彈性基底的共價(jià)結(jié)合提供了微針電極的高可拉伸性（60-90%），使其能跟隨軟組織的變形，保持微針的穩(wěn)定插入，并減少對(duì)組織的應(yīng)力損傷。

圖4 可拉伸微針電極陣列的拉伸性

離體肌內(nèi)肌電信號(hào)檢測(cè)

可拉伸微針電極陣列可用于離體海兔頰部的肌內(nèi)肌電信號(hào)檢測(cè)。將不同長(zhǎng)度的微針電極插入不同的肌肉組，使其跟隨頰部肌肉的變形，記錄不同肌肉組的肌電信號(hào)。與平板微電極陣列記錄的表面肌電信號(hào)相比，微針電極記錄的肌內(nèi)肌電信號(hào)較強(qiáng)且有特異性。這說(shuō)明可拉伸微針電極陣列可以成為檢測(cè)或刺激生物體中活動(dòng)深層組織的有用工具，以促進(jìn)生物和神經(jīng)科學(xué)的研究。

圖5 使用可拉伸微針電極陣列和平板微電極陣列對(duì)海兔頰部肌內(nèi)和表面肌電信號(hào)進(jìn)行離體測(cè)量

綜上所述，研究人員提出了一種制造高度可拉伸且可定制化的微針電極陣列的方法，并通過(guò)采用水凝膠-化學(xué)蝕刻實(shí)現(xiàn)了對(duì)電極檢測(cè)區(qū)域的方便調(diào)控。這些微針具有較高的剛度，能夠穩(wěn)固地插入生物組織，而高可拉伸性確保了其與柔軟、活動(dòng)的生物組織的緊密貼合。這使得可拉伸微針電極作為一種生物-電子界面，在腦機(jī)接口的電生理傳感，皮膚間質(zhì)液的電化學(xué)傳感以及神經(jīng)和肌肉的電刺激等方向都有潛在應(yīng)用。

論文鏈接： https://doi.org/10.1126/sciadv.adn7202



審核編輯：劉清