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，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)方式探測生理信號并對內(nèi)部區(qū)域進行電刺激。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)等多個領(lǐng)域都具有潛在的實用性。這些3D微電極陣列可以穿透并貼合動態(tài)變形的組織，從而促進以微創(chuàng)方式對內(nèi)部區(qū)域進行定向傳感和刺激。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(shè)計、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。采用一種基于激光微加工、微細(xì)加工和轉(zhuǎn)移印刷的獨特混合制造方案，實現(xiàn)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(qū)域、阻抗、陣列布局和長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日的國際頂級期刊《Science Advances》。

1.創(chuàng)新型研究內(nèi)容

本研究介紹了可拉伸微針電極陣列（SMNEA）器件的設(shè)計、制造和電生理傳感應(yīng)用。低成本、可擴展的微針電極制造工藝結(jié)合了激光微機械加工、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尋址的高模量微針陣列。將微針和互連器件共價鍵合到彈性基底上可實現(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。該制造方案獨特地結(jié)合了不同電極長度的可擴展性、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較大的電極模量（E=6.6GPa）。對Plysia頰部肌肉內(nèi)肌電圖（EMG）的測量，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在動態(tài)3D組織中的實用性。

【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連接的微針電極陣列。微針和互連器件都與硅樹脂彈性體（Ecoflex 00-30）共價鍵合。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）和對二甲苯C絕緣涂層（厚度為3微米）。蛇形互連線是帶有鉻/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，粘合在基底上的蛇形互連線可通過弧形圖案的平面內(nèi)彎曲來適應(yīng)變形（圖1A）。微針與互連器件和彈性基底之間的強共價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)過氧等離子處理的硅彈性體薄膜（Ecoflex，厚度約為200μm）發(fā)生共價表面反應(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顯示了可單獨尋址SMNEA的制造過程示意圖。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、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、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、制造、特性表征和應(yīng)用（三）