“音臂式”MEMS微线圈，构建新一代神经调控探针架构
2026-02-25 10:28:34   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

植入式神经接口（INI）通过实现神经回路与外部设备之间的双向通信，正在变革神经调节应用。然而，现有的方式在精准度、侵入性以及与先进体内成像系统的兼容性方面仍面临重大挑战。

据麦姆斯咨询报道，丹麦哥本哈根大学和丹麦技术大学的联合研究团队提出了一种基于微机电系统（MEMS）技术的“音臂式”微线圈设计，该设计针对垂直皮层植入进行了优化，其悬臂长度为800 µm，横截面较小，兼顾了机械强度以及适用于双光子显微镜（TPM）的微型化特点。相关研究成果已经以““Tone-Arm” Neuromodulation MEMS Microcoil for In Vivo Imaging”为题发表于近期的Small期刊。

音臂式MEMS微线圈的设计与制造

在体内成像中使用双光子显微镜结合磁性微线圈神经调节的主要挑战包括：（1）微线圈必须与2/3层中垂直取向的锥体神经元（PNs）平行对齐，以最大限度地提高刺激效率；（2）微线圈必须能够适应高分辨率双光子显微镜成像的小工作距离；（3）必须确保微创性，以防止微线圈对组织造成显著损伤；（4）微线圈不得产生大的阴影而遮挡双光子显微镜成像，需要最小化线圈的物理尺寸，以确保在双光子显微镜下的清晰可见性。

本研究展示了一种用于精确皮层神经调节的音臂式MEMS微线圈（MMC）系统的成功开发和验证，解决了集成双光子显微镜应用中的四个关键挑战。优化后的设计包含一个800 µm的悬臂，其横截面为70 µm x 86 µm，在保持机械稳健性的同时，实现了与标准双光子显微镜物镜的兼容性。

图1展示了采用三个光刻掩模的19步制造工艺。这种创新制造方案在MEMS微线圈设计和工艺上进行了重大改进，其加工始于直径100 mm、厚度350 µm的双面抛光（DSP）硅片。

图1 MEMS微线圈工艺流程示意图和探针几何结构

其先进MEMS制造通过在氧化铝层上进行紫外光刻图案化，实现了低于1 µm的边缘对准精度，其中铝迹线在硅蚀刻过程中被完全封装在双氧化铝硬掩模之间。这种封装策略能够精确控制铝/硅悬臂界面边缘（<1 µm），同时防止各向同性蚀刻效应，最终减小探针的横截面尺寸，以最大限度地减少组织位移。

图2 MEMS微线圈探针示意图

图3 探针制造过程的扫描电镜（SEM）和光学显微镜图像

器件设计可行性与指导的数值仿真

为了指导音臂式MEMS微线圈设计，研究人员使用COMSOL进行了数值仿真。这些仿真计算了电场强度、温度和机械应力分布，以确保该器件在植入过程中的有效性、热安全性和结构稳定性。

有限元仿真为关键设计决策提供了指导。1）固体力学分析显示，与密歇根探针相比，其应力分布极佳，在50 mN轴向力下位移相当的情况下，屈曲阻力（临界载荷）高出14倍。2）电磁建模表明其具有聚焦刺激能力，在探针尖端产生的峰值电场梯度为2.0 × 10⁴ V/m²，高于神经元激活阈值。3）热力学仿真确保了热安全性，将温升限制在0.125 °C，远低于ISO 14708-1规定的2 °C阈值。

图4 MEMS微线圈探针的电磁仿真

利用小鼠体内双光子成像对MEMS微线圈进行验证

研究人员通过在小鼠视觉皮层进行的体内双光子成像，进一步验证了音臂式MEMS微线圈的可行性。值得注意的是，研究人员评估了在多个探针和重复试验中，刺激诱导的抑制作用的可靠性和一致性。尽管没有收集额外的样本，但此处呈现的结果强调了这种抑制效应在独立制备中的可重复性。

研究人员强调了这种具有最小侵入性的垂直穿透。该探针足够小，可以插入血管密集的小鼠皮层微血管（50∼100 µm）之间，且不会引起出血。在双光子成像和宽场成像中，即使是轻微的血管损伤也会导致出血并使视野变暗，从而阻碍进一步的记录。然而，研究人员在实验中并未观察到此类干扰。此外，微线圈的存在不会产生可能阻碍成像的大阴影，这使研究人员能够清晰地观察到单个神经元胞体并提取它们对刺激做出反应时的活动。

图5 小鼠体内双光子成像对微线圈进行验证

所制备的器件得益于氧化铝-铝封装结构和最终的聚对二甲苯-C涂层，展现出优异的电学性能（2±0.5Ω的电阻）和绝缘完整性。对小鼠217个视觉皮层神经元的体内验证显示出显著的神经调节效应。垂直插入的探针保持了光学可及性，在双光子显微镜视野中的阴影面积<5%。这些结果共同证实了音臂式MEMS微线圈探针作为一种神经调节工具，将电磁刺激的精确性与兼容双光子显微镜的外形相结合，克服了传统刺激效率与成像兼容性之间的权衡问题。

结论

总之，先进的MEMS微线圈植入物为靶向神经元抑制提供了一种可行且高效的解决方案，这对治疗干预和神经成像均具有重要意义。通过克服先前技术的局限性，它为神经工程领域更广泛的应用开辟了道路。

论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202514159

延伸阅读：

《MEMS产业现状-2025版》

《下一代MEMS技术及市场-2025版》

《脑机接口技术及市场-2025版》