植入式生物電子學(xué)為實時和連續(xù)監(jiān)測生物體的生理信號提供了前所未有的機會。大多數(shù)生物電子學(xué)采用薄膜基板，如聚酰亞胺和聚二甲基硅氧烷，這些基板具有高度的柔韌性和可拉伸性。然而，這些薄膜的低滲透性和相對較高的模量阻礙了長期的生物相容性。相比之下，在多孔基板上制造的器件具有高磁導(dǎo)率的優(yōu)點，但圖案密度低。基于此，香港理工大學(xué)Zijian Zheng和香港城市大學(xué)Xinge Yu課題組提出了一種晶圓尺度的高分辨率制造策略，用于超軟，可拉伸和高透氣性的液態(tài)金屬微電極(μLMEs)。通過光刻技術(shù)在4英寸彈性纖維氈上展示了2μm的圖案化能力，或高達~75,500個電極/cm2的超高密度μLME陣列。植入μLME陣列作為神經(jīng)接口，對活體大鼠的皮質(zhì)電圖信號進行高時空定位和干預(yù)。植入的μLMEs具有8個月以上的長期生物相容性。

研究成果以題為“Wafer-patterned,permeable,and stretchable liquid metal microelectrodes for implantable bioelectronics with chronic biocompatibility”的發(fā)表在最新一期的《Science Advances》上

研究內(nèi)容

磁導(dǎo)率和μLME的制備

圖1A顯示了晶圓級μLME的制造過程示意圖，該過程包括四個主要步驟：（i）在SiO上對Ag進行光刻2用一層薄薄的水溶性葡聚糖預(yù)改性晶圓;（ii）將纖維聚（苯乙烯嵌段-丁二烯-嵌段-苯乙烯）（SBS）氈靜電紡絲到Ag微圖案上;（iii）葡聚糖層的溶解和銀微圖案從SiO轉(zhuǎn)移2將晶圓鋪在SBS光纖氈上;（iv）在Ag覆蓋區(qū)域選擇性潤濕LM以產(chǎn)生μLME。

圖1：可拉伸和可滲透的液態(tài)金屬微電極（μLMEs）的制備過程。

圖2：μLMEs結(jié)構(gòu)示意圖。

μLME的滲透性、生物相容性、電導(dǎo)性和拉伸性

由于纖維氈的高孔隙率，μLME對空氣、水分和液體具有出色的滲透性。圖3A顯示了有色液體從μLME的上側(cè)到底部的漸變滲透，顯示出出色的液體滲透性。μLMEs在330μm厚的SBS纖維氈上的透氣性和透濕性分別為78 mm/s和835 g/m2每天（圖3、B和C）。這些值與先前使用相似厚度的測試材料和測試方法的文獻報道相似。相比之下，Ecoflex和PDMS薄膜的透氣性幾乎為零。它們的透濕性低于50 g/m2每天。此外，通過減小SBS厚度可以進一步提高μLMEs的滲透性。厚度為25μm時，透氣性和透濕性分別達到235 mm/s和990 g/m2每天。此外，μLMEs在體外研究中通過使用L-929細胞作為模型細胞具有低細胞毒性。此外，在觀察期間對兔子皮膚進行的體內(nèi)動物實驗表明沒有明顯的刺激（即皮膚上沒有紅斑和水腫）。

圖3：μLMEs的滲透性、導(dǎo)電性和拉伸性表征。

基于μLME的植入式生物電子學(xué)，用于具有慢性生物相容性的神經(jīng)接口

由于具有超柔軟性、生物相容性、可拉伸性和高時空分辨率等特性，μLME適用于高器件密度和慢性舒適性至關(guān)重要的植入式生物電子學(xué)。作為概念驗證，我們制造了一個可植入的μLME陣列，用于記錄來自柔軟、彎曲和復(fù)雜的神經(jīng)接口的ECoG信號。用μLME陣列覆蓋由運動，軀體感覺，視覺和脾后皮質(zhì)組成的大鼠的主要皮質(zhì)亞域（圖4A）。μLME陣列具有圓電極單元直徑小（500μm）、精細互連（40μm）和100個電極/cm的高通道密度2（圖S20）。由于與腦組織的機械順應(yīng)性相似（圖S21），μLME（厚度，25μm）與皮質(zhì)表面共形附著，與報道的ECoG器件電極材料（例如，Au/PI，Au/parylene，和硅）。

圖4：基于高密度μLMEs的神經(jīng)電生理界面生物電子學(xué)表征。

圖5：μLMEs用于慢性神經(jīng)植入物的慢性(長期)生物相容性表征。

結(jié)論與展望

多孔和可拉伸基材（如靜電紡絲纖維氈）具有出色的滲透性、柔軟性和生物相容性，這些都是生物電子應(yīng)用的關(guān)鍵屬性。然而，與目前主要選擇的平面基板（如薄膜塑料或彈性體）不同，在粗糙的多孔基板上圖案化高分辨率電極一直是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。圖案化工藝主要通過絲網(wǎng)印刷和噴墨印刷或陰影遮罩方法等印刷方法進行。因此，圖案化分辨率被限制在50至10,000μm，因此器件密度非常低。

在大尺寸、可滲透和可拉伸的纖維氈上成功制備μLMEs，為高密度、集成、可植入和長期生物相容的LM電子器件鋪平了道路。目前，μLMEs通過配備實驗室的光刻技術(shù)顯示出2μm的典型圖案化分辨率，透濕率為990 g/m2每天，設(shè)備密度超過75,000個電極/厘米2，電導(dǎo)率約為105S/cm，拉伸性高達1500%的應(yīng)變。原則上，μLME的圖案化分辨率可以進一步提高到亞微米（0.25至1μm）區(qū)域，例如，通過使用高分辨率光刻工具和較小纖維直徑的纖維氈。