用于神经接口的“微电子热成型”3D微电极
2025-04-19 08:45:45 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
韩国釜山国立大学的研究人员提出了一种新颖的“微电子热成型（μETF）”工艺，通过对传统平面阵列进行简单的一步热压，在聚合物基微电极阵列上制造出多功能3D微结构。
电极与神经细胞的高接近度对于实现各种记录和刺激的神经接口应用起着至关重要的作用。在神经记录中，电极表面与目标组织的密切接触可以提高信号质量，而在神经刺激中，通过减少电流扩散可以降低刺激阈值，并提高空间分辨率。迄今，改善电极-细胞接近度通常通过MEMS技术实现，或者是直接将刚性材料制成针状，例如犹他阵列，或在基于薄膜的微电极阵列（MEA）上构建各种三维（3D）微结构。然而，尽管效果显著，但刚性3D电极可能会与柔软的神经组织出现机械不匹配。此外，使用传统MEMS技术在薄膜微电极阵列上创建3D微结构需要额外的制造工艺，例如光刻、真空沉积、电镀以及湿法和干法蚀刻等。这些工艺增加了制造过程的复杂性，而这通常与3D结构的复杂性成比例。此外，由于传统微制造工艺固有的二维特性，在单个微电极阵列中制造具有不同形状和高度的3D特征存在挑战。
据麦姆斯咨询介绍，为了解决这些问题，韩国釜山国立大学的研究人员提出了一种新颖的“微电子热成型（μETF）”工艺，通过对传统平面阵列进行简单的一步热压，在聚合物基微电极阵列上制造出多功能3D微结构。这种方法利用了塑料工业中成熟的热成型技术，即将热塑性塑料片加热到玻璃化转变温度（Tg）以上，然后压在金属模具上，以简单的方式制造出3D结构。本研究对热成型技术的微电子化改造，实现了具有嵌入式电学功能的微观凸起与凹陷多功能3D结构，从而为优化电极-细胞界面提供了定制化结构开发方案。
液晶聚合物（LCP）微电极阵列一步法μETF工艺，为增强型神经接口创建微观凸起与凹陷3D结构
本研究所提出的μETF工艺有效解决了现有3D微结构在增强神经接口应用中的制造复杂性和结构限制挑战。该技术通过一步热压工艺，将传统制备的薄膜平面型微电极阵列压印到预设所需3D结构的模具上。因此，与现有基于MEMS技术的3D成型技术相比，μETF工艺具有两个明显的优势：一是工艺简单，二是构型多样。所提出的方法在制造传统薄膜平面型微电极阵列的基础上只增加了一个压印步骤，从而大大简化了3D制造。此外，使用3D打印技术制备模具几乎可以创建任何3D微结构，从而可以通过相同的一步法μETF工艺在单个电极阵列中创建不同形状和高度的异质结构。这种构建3D微结构的简便性和灵活性，大幅扩展了设计的可能性，有助于开发符合目标神经系统解剖学和神经生理学特征的优化的电极-神经元界面。
通过一步法μETF工艺制造出形状和高度各异的多用途3D结构
本研究采用LCP薄膜作为热塑性基底，主要是因为它具有机械强度、化学惰性和生物相容性。此外，LCP的低吸水率也有助于提高植入器件的长期可靠性。当然，μETF工艺同样适用于生物医学领域常用的其它热塑性塑料。
评估μETF微电极阵列视网膜刺激效果的体外实验
本研究介绍了一种基于LCP微电极阵列的一步法μETF工艺，该工艺可以在保持电极电气特性的前提下，制造具有多种凸起和凹陷3D结构的3D微电极。作为概念验证，研究人员针对视网膜刺激优化了3D微电极阵列设计，通过计算分析和小鼠模型的体内外实验对其优势进行了评估。研究人员在LCP微电极阵列上构建了各种3D结构，例如井状、穹顶状、壁状及三角形等，证明了μETF工艺在广泛生物医学领域的应用潜力。
“这项研究的灵感来自于外卖咖啡塑料杯盖的观察。我意识到，这种塑料成型方法可以应用于微观层面，为神经电极创建3D结构。”该论文作者Jeong博士说。
与传统的微机械加工方法不同，μETF简化了制造过程，可在单个微电极阵列内实现各种复杂的3D结构。
在概念验证研究中，研究人员应用μETF开发了一种优化的3D微电极阵列，用于刺激盲人患者的视网膜。计算模拟和实验表明，与传统的平面电极相比，这种3D电极将刺激阈值降低了1.7倍，空间分辨率提高了2.2倍。
该论文另一位作者Eom博士解释说：“我们的3D结构使电极更接近目标神经元，从而使刺激更有效、更精确。”
Jeong博士指出，除了刺激视网膜，研究人员认为μETF还可以用于其它各种神经接口，包括大脑、脊髓、耳蜗和外周神经接口。这种方法能够构建多种3D结构，从而为不同的神经环境量身定制电极设计。
脑机接口（BCI）是该技术未来前景广阔的应用场景，它可以帮助瘫痪病人恢复运动能力。通过在运动皮层植入3D神经电极阵列，可以解码神经信号并将其转化为物理动作，如控制机械臂或轮椅。
此外，这种μETF技术的多功能性不仅限于神经接口。研究团队正在探索其在可穿戴电子设备、类器官研究和芯片实验室等方面的潜力，在这些领域，精确的3D微结构可以增强器件的功能。下一步研究包括完善制造技术，以实现更广泛的医疗应用。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41528-024-00378-0
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