微電極陣列（MEA）一直是生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中廣泛使用的技術(shù)平臺(tái)，包括電生理記錄、電化學(xué)傳感和電刺激。傳統(tǒng)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(xì)胞或組織級(jí)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(kuò)展到了3D。此外，通過(guò)堆疊1D或2D MEA、3D打印或復(fù)雜的納米制造技術(shù)（如聚焦離子束（FIB）銑削），可實(shí)現(xiàn)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(cè)生理信號(hào)并對(duì)內(nèi)部區(qū)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(tǒng)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(duì)內(nèi)部區(qū)域進(jìn)行定向傳感和刺激。然而，制造可拉伸3D微電極陣列面臨著材料集成和圖案化方面的挑戰(zhàn)。

來(lái)自南加州大學(xué)的趙航波（Hangbo Zhao）團(tuán)隊(duì)介紹了可拉伸微針電極陣列（SMNEAs）的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用，該陣列可用于傳感體內(nèi)局部肌內(nèi)肌電信號(hào)。采用一種基于激光微加工、微細(xì)加工和轉(zhuǎn)移印刷的獨(dú)特混合制造方案，實(shí)現(xiàn)了具有高器件伸展性（60%至90%）的獨(dú)立可尋址SMNEA的可擴(kuò)展制造。電極的幾何形狀和記錄區(qū)域、阻抗、陣列布局和長(zhǎng)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(nèi)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(guó)際頂級(jí)期刊《Science Advances》。

1.創(chuàng)新型研究?jī)?nèi)容

本研究介紹了可拉伸微針電極陣列（SMNEA）器件的設(shè)計(jì)、制造和電生理傳感應(yīng)用。低成本、可擴(kuò)展的微針電極制造工藝結(jié)合了激光微機(jī)械加工、復(fù)制成型、微細(xì)加工和轉(zhuǎn)移印花技術(shù)，可形成與蛇形互連器件相連的可單獨(dú)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(xiàn)高拉伸性。金屬化和基于凝膠的化學(xué)蝕刻技術(shù)應(yīng)用于微針，產(chǎn)生了具有可控暴露區(qū)域的微針電極陣列。該制造方案獨(dú)特地結(jié)合了不同電極長(zhǎng)度的可擴(kuò)展性、可控記錄區(qū)域和電極阻抗、60%到90%的設(shè)備可拉伸性以及相對(duì)較大的電極模量（E=6.6GPa）。對(duì)Plysia頰部肌肉內(nèi)肌電圖（EMG）的測(cè)量，以及與表面肌電圖結(jié)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(jié)構(gòu)包括由蛇形互連器件單獨(dú)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(dǎo)電涂層（厚度為10納米/150納米）和對(duì)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(xì)絲（厚度為30μm，寬度為70μm）。這些導(dǎo)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(nèi)彎曲來(lái)適應(yīng)變形（圖1A）。微針與互連器件和彈性基底之間的強(qiáng)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(duì)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(yīng)，從而將微針陣列從PDMS模具轉(zhuǎn)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(dú)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(kuò)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(zhǎng)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(shè)計(jì)、制造、特性表征和應(yīng)用（一）

可拉伸微針電極陣列（SMNEAs）的設(shè)計(jì)、制造、特性表征和應(yīng)用（二）

可拉伸微針電極陣列（SMNEAs）的設(shè)計(jì)、制造、特性表征和應(yīng)用（三）