植入式生物電子學(xué)為實時和連續(xù)監(jiān)測活體生理信號提供了前所未有的機(jī)會。大多數(shù)生物電子學(xué)采用薄膜襯底，如聚酰亞胺和聚二甲基硅氧烷，表現(xiàn)出高水平的柔性和可拉伸性。然而，這些薄膜的低透氣性和相對高的模量阻礙了長期的生物相容性。相比之下，在多孔基底上制造的器件具有高透氣性的優(yōu)點，但圖案密度低。

創(chuàng)新點

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(dá)~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(jìn)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。

文章解析

圖1：可拉伸和可滲透的液態(tài)金屬微電極（μLMEs）的制備過程。（A）μLMES制造過程的示意圖。（B）比較使用可滲透的纖維墊或不可滲透的薄膜對犧牲層的不同溶解過程影響示意圖。

圖2：μLMEs結(jié)構(gòu)示意圖。(A)銀微圖案從晶圓轉(zhuǎn)移到SBS纖維墊的圖像。插圖為轉(zhuǎn)移之前在晶圓上的圖案。(B)附著在人體手臂上的μLMEs的圖像（液態(tài)金屬負(fù)載量：10 mg/cm2）。(C)溶劑對犧牲層的接觸角和滲透速度以及(D)圖案轉(zhuǎn)移成功率與等離子體處理時間的函數(shù)。(E)LM在轉(zhuǎn)移銀層上的接觸角隨銀厚度的變化。(F)選擇性潤濕前后SBS纖維墊上電極的掃描電鏡圖像。(G)μLMEs的線寬與Ag電極的原始線寬的對應(yīng)關(guān)系。(H,I)μLMEs高密度陣列的，陣列密度高達(dá)75500電極/cm2。

圖3：μLMEs的滲透性、導(dǎo)電性和拉伸性表征。(A)一個彩色水滴從μLMEs的一側(cè)滲透到另一側(cè)光學(xué)圖像。(B,C)μLMEs在不同厚度SBS纖維墊上以及其他生物電子學(xué)常用襯底，包括PDMS,Ecoflex和醫(yī)療貼片上的透氣性和透濕性表征。(D)不同線寬下μLMEs的電導(dǎo)率變化。(E)不同線寬μLMEs在不同拉伸應(yīng)變下的電阻。(F)在1000%的大拉伸應(yīng)變下μLMEs（線寬50μm）的循環(huán)電穩(wěn)定性。

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。(A)基于μLMEs的ECoG陣列的示意圖和記錄的皮質(zhì)子域。(B,C)μLME ECoG電極陣列（厚度25μm）在柔軟、彎曲和復(fù)雜的大腦皮層上適形附著的數(shù)字圖像。虛線表示μLME陣列的邊界。(D)μLMEs的楊氏模量與已經(jīng)報道的ECoG生物電極材料的比較。(E)不同應(yīng)變下μLMEs和Au/PI電極的體外電化學(xué)阻抗譜(EIS)表征。(F)活體大鼠睡眠狀態(tài)下體內(nèi)神經(jīng)信號的功率譜分析。(G)用μLMEs記錄不同頻率脈沖電壓電刺激下的體感誘發(fā)電位(SEPs)。(H)不同強(qiáng)度脈沖電壓電刺激下對側(cè)和同側(cè)體感覺皮質(zhì)電位的比較。(I)對側(cè)體感覺皮層在10次強(qiáng)度為6 V、頻率為1 Hz的連續(xù)電刺激下的信號譜圖。(J)左右前肢電刺激下μLME陣列的時空特性研究。

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。(A)電極陣列植入2小時后染色腦切片的免疫組織學(xué)分析。(B)對照植入后2周，Au/PI電極、Au/PDMS電極、μLME電極和μLME電極，植入時間為32周(32w)，免疫組化染色小膠質(zhì)細(xì)胞(Iba1，綠色)和細(xì)胞核[4′，6-二氨基-2-苯基吲哚(DAPI)，藍(lán)色]。左圖為低放大圖(比例尺=1000μm)，右圖為高放大圖(比例尺=200μm)。(C)小膠質(zhì)細(xì)胞胞體大小的統(tǒng)計分析(n=6)。Au/PI組(P=0.0002)和Au/PDMS組(P=0.0375)的小膠質(zhì)細(xì)胞胞體大小與對照組相比顯著增加(雙向，非配對Student's t檢驗)。μLME組與對照組之間差異無統(tǒng)計學(xué)意義(植入后2周P=0.4482，植入后32周P=0.6143)。(D)總小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量的統(tǒng)計分析（n=6）。與對照組（雙向，未配對的學(xué)生t檢驗）相比，在AU/PI組（P<0.0001）和AU/PDMS組（P=0.0274）中發(fā)現(xiàn)了IBA1細(xì)胞的顯著增加。μLME組和對照組之間沒有發(fā)現(xiàn)顯著差異（植入后2周時P=0.3912，在植入后32周時P=0.2566）。

結(jié)論與展望

作者提出一種晶圓級高分辨液態(tài)金屬微電極（μLME）的制備方案，在超軟，可拉伸和高透氣性纖維墊上實現(xiàn)了每平方厘米75000個電極的圖案分辨率，這些μLME顯示出優(yōu)異的機(jī)械柔性，當(dāng)延伸至1000％應(yīng)變時仍表現(xiàn)出出色導(dǎo)電性，以及在皮膚附著和植入測試中的生物相容性，并且可以用于腦皮層電信號的采集。這一方案為高密度，可集成，可植入的生物電子提供了解決思路。