動(dòng)物研究和人類(lèi)臨床器械需要新的高密度神經(jīng)記錄技術(shù)。雖然近年來(lái)出現了幾種有前途的電極技術(shù)，但是關(guān)鍵的臨床器械所需的器件必須能夠高效制造。通常情況下，這意味著(zhù)這些器件需要利用集成電路（IC）行業(yè)開(kāi)發(fā)的薄膜工藝在潔凈室中進(jìn)行制造。雖然潔凈室制造方法提供了所需的小型化和可擴展性，但薄膜器件本質(zhì)上是平面的。新的研究表明，制造可以在體外進(jìn)行三維（3D）神經(jīng)記錄的可折疊薄膜電極具有可行性。


猶他陣列（Utah array）是目前應用最廣泛的3D電極陣列。該陣列的制造涉及硅片機械切割或劃片，因此需要剛性襯底，并且切割工具限制了電極之間的最小間距。因此，猶他陣列的尺寸較大，無(wú)法用于小動(dòng)物（例如老鼠和鳴禽）的神經(jīng)記錄。此外，猶他陣列具有相對較大的電極柄，這會(huì )導致異物組織反應，從而限制其長(cháng)期記錄性能。3D打印電極為當前的電極設計提供了一種新的選擇。美國卡內基梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University）最近開(kāi)發(fā)的器件展示了使用氣溶膠噴射保形打印方法3D打印針床電極的策略。然而，該策略雖然具有突破性，但該器件在氣溶膠噴射過(guò)程中受到低分辨率（10μm）的限制。


據麥姆斯咨詢(xún)報道，為了解決以上問(wèn)題，來(lái)自美國俄勒岡大學(xué)（University of Oregon）和德克薩斯大學(xué)達拉斯分校（The University of Texas at Dallas）的研究人員建立了一種制造微米級分辨率且具有柔性幾何形狀3D電極的工藝，相關(guān)研究成果近期以“Direct laser writing of 3D electrodes on flexible substrates”為題發(fā)表在Nature Communications期刊上。

圖1 3D電極制造工藝


這種可以使3D打印電極分辨率最大化的工藝由多種因素驅動(dòng)。首先，雙光子光刻工藝的高分辨率和設計靈活性使得探索各種新型電極形狀成為可能。例如，利用該3D打印工藝制備的仿生蚊針式電極可以穿過(guò)硬腦膜，并且其倒刺結構可以讓電極固定在組織內。此外，該3D打印工藝可以實(shí)現獨特的單個(gè)電極幾何形狀和定制的電極長(cháng)度，以匹配特定大腦區域的曲率或深度特征。高分辨率3D打印的另一個(gè)潛在好處是，它可以減少電極橫截面，從而實(shí)現更高信噪比（SNR）的長(cháng)期神經(jīng)記錄。對于橫截面比神經(jīng)元胞體大得多的電極，反應性組織反應會(huì )將電極包裹起來(lái)，并會(huì )損傷距離植入電極100μm范圍內的細胞。因此，在小動(dòng)物研究中，不良組織反應是一個(gè)特別嚴重的問(wèn)題，因為疤痕的包裹會(huì )阻止研究人員對感興趣的密集區域進(jìn)行單個(gè)神經(jīng)元分辨率的神經(jīng)記錄。而該研究采用的雙光子光刻工藝可以制造尺寸遠低于20μm極限的微電極，從而可以成功逃逸大部分的大腦免疫反應。但是，為了實(shí)現這一愿景，有必要增加3D打印結構的剛度，以制造更精細的電極柄，使其在插入時(shí)不會(huì )彎曲；并且，需要開(kāi)發(fā)激光尖端燒蝕策略，以使得電極在插入時(shí)可以保持尖銳的幾何形狀。因此，該研究后續的方向是探索使用非晶碳化硅作為聚對二甲苯-C封裝層的替代品，從而增加電極的剛度。此外，利用雙光子光刻工藝的高分辨率可以制造高通道數的3D電極陣列，從而顯著(zhù)增加大腦或視網(wǎng)膜單位面積內的電極數量。

圖2仿生蚊針式電極


用于小動(dòng)物模型的3D電極陣列


在小動(dòng)物模型的初步應用中，3D電極陣列具備制造成符合目標大腦區域內特定空間特征的形狀的潛力。除了固定位置的長(cháng)期植入物外，集成的柔性電纜允許這些器件安裝在微驅動(dòng)器上，以串行采樣多個(gè)深度。在鳴禽和其它動(dòng)物模型中，植入后的電極單體的質(zhì)量會(huì )逐漸下降，這給學(xué)習的神經(jīng)機制的研究帶來(lái)了挑戰。從長(cháng)遠來(lái)看，唯一已知的顯著(zhù)改善信號的方法是減小電極尺寸。雖然碳纖維電極陣列在長(cháng)時(shí)間尺度上可以表現出穩定的記錄性能，但是碳纖維電極的產(chǎn)量很低，而且其制造過(guò)程缺乏可擴展性。薄膜碳化硅超微電極提供了一種可擴展的替代方案，因此將會(huì )被進(jìn)一步研究；而使用插入梭子的聚合物電極有望延長(cháng)信號的壽命。在漸進(jìn)的信號損失得到解決之前，通過(guò)利用微驅動(dòng)器將多電極陣列移動(dòng)到新鮮腦組織中，可以實(shí)現最高信噪比的神經(jīng)記錄。


多孔刺激電極


研究表明，3D和多孔刺激電極將有望為神經(jīng)記錄帶來(lái)多種好處。在最簡(jiǎn)單的層面上，3D刺激電極的突出表面將在電極和神經(jīng)組織之間提供更好的電接觸，因此，在皮層腦電圖（ECoG）記錄和刺激以及周?chē)窠?jīng)連接方面具有潛在的應用。此外，3D打印的大孔隙也可以增加電極的表面積，同時(shí)保持相同的總體移位組織體積。例如，圖4a中的實(shí)心金字塔的表面積為0.076平方毫米。相比之下，具有最小孔隙的金字塔的總表面積為0.391平方毫米，這使得刺激表面與組織之間的接觸增加了五倍。但是，由于組織的向內生長(cháng)會(huì )導致孔內的接觸阻力增加，因此這種多孔性對于長(cháng)期植入物的好處還有待于確定。

圖3硅襯底上多孔電極的制作工藝

圖4刺激電極的表征


綜上所述，該研究提出的3D打?。p光子激光直寫(xiě)）電極陣列的制造方法具有良好的魯棒性，并且與標準硅和柔性聚酰亞胺器件制造工藝完全兼容。使用高分辨率的雙光子激光直寫(xiě)工藝可以制造出仿生針式電極和多孔電極等在內的各種獨特的電極形狀。這些器件將實(shí)現以當前3D電極無(wú)法達到的空間分辨率進(jìn)行神經(jīng)記錄。利用雙光子激光直寫(xiě)、激光燒蝕、光刻和濺射設備，該研究中介紹的制造方法可以廣泛應用于研究機構的科學(xué)研究中。此外，如果未來(lái)有基金或行業(yè)合作伙伴支持這項研究工作，那么該技術(shù)可以為神經(jīng)科學(xué)和神經(jīng)工程以及人體應用提供新的工具，例如在視覺(jué)假體或神經(jīng)接口中需要小尺寸、高密度的神經(jīng)記錄和刺激電極陣列。


論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-39152-7