微電極陣列（MEA）一直是生物醫學(xué)應用中廣泛使用的技術(shù)平臺，包括電生理記錄、電化學(xué)傳感和電刺激。傳統的MEA具有平面電極布局，采用光刻工藝在剛性基底（如硅或玻璃）上制造，如用于神經(jīng)記錄的1D密歇根探針和用于細胞或組織級分析的玻璃上的2D MEA。Utah陣列等平面外2D MEA將電極-生物界面擴展到了3D。此外，通過(guò)堆疊1D或2D MEA、3D打印或復雜的納米制造技術(shù)（如聚焦離子束（FIB）銑削），可實(shí)現3D空間的電極覆蓋。3D MEA可以穿透組織表層，從而以微創(chuàng )方式探測生理信號并對內部區域進(jìn)行電刺激。這種多通道、深層組織傳感和刺激能力可為各種3D生物系統提供有價(jià)值的信息和控制。因此，可伸縮3D穿透式微電極陣列在神經(jīng)科學(xué)、組織工程和可穿戴生物電子學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域都具有潛在的實(shí)用性。這些3D微電極陣列可以穿透并貼合動(dòng)態(tài)變形的組織，從而促進(jìn)以微創(chuàng )方式對內部區域進(jìn)行定向傳感和刺激。然而，制造可拉伸3D微電極陣列面臨著(zhù)材料集成和圖案化方面的挑戰。

來(lái)自南加州大學(xué)的趙航波（Hangbo Zhao）團隊介紹了可拉伸微針電極陣列（SMNEAs）的設計、制造和應用，該陣列可用于傳感體內局部肌內肌電信號。采用一種基于激光微加工、微細加工和轉移印刷的獨特混合制造方案，實(shí)現了具有高器件伸展性（60%至90%）的獨立可尋址SMNEA的可擴展制造。電極的幾何形狀和記錄區域、阻抗、陣列布局和長(cháng)度分布均可高度定制。演示了如何使用SMNEA作為生物電子接口，記錄來(lái)自Aplysia頰腫塊中不同肌肉群的肌內肌電圖。相關(guān)工作以題為“Highly stretchable and customizable microneedleelectrode arrays for intramuscular electromyography”的文章發(fā)表在2024年05月01日的國際頂級期刊《Science Advances》。

1.創(chuàng )新型研究?jì)热?

本研究介紹了可拉伸微針電極陣列（SMNEA）器件的設計、制造和電生理傳感應用。低成本、可擴展的微針電極制造工藝結合了激光微機械加工、復制成型、微細加工和轉移印花技術(shù)，可形成與蛇形互連器件相連的可單獨尋址的高模量微針陣列。將微針和互連器件共價(jià)鍵合到彈性基底上可實(shí)現高拉伸性。金屬化和基于凝膠的化學(xué)蝕刻技術(shù)應用于微針，產(chǎn)生了具有可控暴露區域的微針電極陣列。該制造方案獨特地結合了不同電極長(cháng)度的可擴展性、可控記錄區域和電極阻抗、60%到90%的設備可拉伸性以及相對較大的電極模量（E=6.6GPa）。對Plysia頰部肌肉內肌電圖（EMG）的測量，以及與表面肌電圖結果的比較，證明了這些可拉伸穿透式MEA在動(dòng)態(tài)3D組織中的實(shí)用性。

【可伸縮微針電極陣列】

SMNEAs的基本結構包括由蛇形互連器件單獨連接的微針電極陣列。微針和互連器件都與硅樹(shù)脂彈性體（Ecoflex 00-30）共價(jià)鍵合。微針呈圓錐形，由聚酰亞胺（PI；PI-2610）制成，帶有鉻/金導電涂層（厚度為10納米/150納米）和對二甲苯C絕緣涂層（厚度為3微米）。蛇形互連線(xiàn)是帶有鉻/金薄膜的PI細絲（厚度為30μm，寬度為70μm）。這些導電蛇形絲為單個(gè)微針電極和外部電子元件提供電氣連接。在彈性基底拉伸時(shí)，粘合在基底上的蛇形互連線(xiàn)可通過(guò)弧形圖案的平面內彎曲來(lái)適應變形（圖1A）。微針與互連器件和彈性基底之間的強共價(jià)鍵合可以防止它們之間的分層。圖1B和C顯示了制造的SMNEA。

圖1 SMNEAs示意圖

由于采用了旋涂技術(shù)，PI薄膜非常平整，因此可以使用基于光刻技術(shù)的微制造工藝。對PI薄膜進(jìn)行圖案化蝕刻可形成輪廓（寬度為30μm），從而確定蛇形互連和微針基底的邊緣。隨后在PI表面沉積Ti/SiO2層，使SiO2與經(jīng)過(guò)氧等離子處理的硅彈性體薄膜（Ecoflex，厚度約為200μm）發(fā)生共價(jià)表面反應，從而將微針陣列從PDMS模具轉移到硅彈性體上。沉積一層薄薄的鉻/金層使微針和蛇形絲金屬化，然后去除輪廓外多余的PI薄膜。圖2顯示了可單獨尋址SMNEA的制造過(guò)程示意圖。這種混合制造策略允許使用低成本的激光燒蝕和可擴展的微制造工藝形成高度定制的微針幾何形狀和陣列布局。利用這種混合制造方法可以制造出具有可控微針長(cháng)度的可拉伸微針電極陣列（圖1D至F）。

可拉伸微針電極陣列（SMNEAs）的設計、制造、特性表征和應用（一）

可拉伸微針電極陣列（SMNEAs）的設計、制造、特性表征和應用（二）

可拉伸微針電極陣列（SMNEAs）的設計、制造、特性表征和應用（三）