列阵传感器 科学家研发新型微针电极阵列，可用于脑机接口和电化学传感
科学家研发新型微针电极阵列，可用于脑机接口和电化学传感
近日，美国南加州大学赵航波教授和团队，造出一种新型微针电极阵列，其兼具高拉伸性、可定制和可单独寻址的特点。 相关论文被选为 Science Advances 的封面论文。
图 | 当期论文封面（来源：Science Advances）
据介绍，这款微针电极阵列具有 60%-90% 的拉伸性，远超已有的同类器件。
同时，它的形态、长度、探测区域、阻抗和布局，都可以通过低成本、可规模化的方法实现定制。
（来源：Science Advances）
研究中，课题组采用激光刻蚀技术、微加工技术和转印技术，提出一种混合制造方案，借此造出了这款微针电极阵列。
对于这种混合制造方案来说，它是一种能与已有微机电技术兼容的可拉伸微针制造工艺。
与传统的微针阵列制造工艺相比，本次方法更加简单、也更加高效。
一直以来，将微针在三维空间进行选择性刻蚀，是微针制造中的一个重大挑战。
而本次工作通过凝胶辅助金属蚀刻的方法，巧妙解决了上述难题。
作为一种可拉伸的穿透电极阵列，预计本次微针电极阵列会成为一款实用型三维生物界面平台。
为了展示本次成果的应用前景，该团队将微针电极阵列，用于海蛞蝓肌内肌电信号的测量。
期间，他们将同一个微针阵列中的不同长度的微针电极，插入不同位置和不同深度的肌肉群，借此测量出不同肌肉组在海蛞蝓运动过程中的肌电信号。
虽然这只是在软体动物海蛞蝓肌肉中的一次应用，但是它预式着这种可拉伸微针电极阵列，能被打造成一种生物-电子界面，从而成为检测生物体活动深层组织的有效工具。
尤其是对于柔软、可变形的生物组织来说，由这种微针电极阵列打造的三维生物-电子界面，能够确保电极与活动中的生物组织的紧密贴合。
从而能在脑机接口的电生理传感、皮肤间质液的电化学传感、以及神经和肌肉的电刺激上产生潜在应用。
图 | 赵航波（来源：赵航波）
海洋软体动物启发一篇顶刊封面论文
据介绍，海洋里的软体动物，是本次研究的“起点”。
对于软体动物如何利用肌肉来产生运动，比如章鱼的触手如何伸长和弯曲、海蛞蝓如何爬行和进食等，课题组非常感兴趣。
不少软体动物拥有十分特别的肌肉结构。比如，章鱼的触手包含着纵向、横向和环向的肌肉，海蛞蝓的口腔颊部肌肉包含多层不同的肌肉纤维。
对于这些在三维空间内分布的多肌肉群来说，研究它们如何通过协同作用产生动作，对于生物、仿生和机器人领域具有重要意义。
而测量这些肌肉群所产生的肌电信号，能为解答上述问题提供实验数据。
通过这些实验数据，可以获悉哪些肌肉群先收缩、哪些肌肉群后收缩，以及能产生何种运动。
但是，该团队发现从这些软体动物的小肌肉组织里，很难针对单个肌肉群开展测量。
原因在于：这些肌肉群分布在厘米甚至毫米尺度的三维空间里。同时，肌肉群在不断经历大幅度的变形。
因此，只有可单独寻址的微小电极，才能成为理想的测量工具。
它们能通过刺穿肌肉组织从而到达特定区域，进而测量局部的肌电信号。
同时，对于软体动物的正常活动所产生的影响也能控制到最小。
目前，微针电极阵列已在很多领域得到应用。比如，商业化的微针神经探针已被用于脑机接口，亦有商业化的皮下微针贴片已被用于肌电传感和电化学传感。
（来源：Science Advances）
经过一番文献调研，该团队发现已有的微针电极阵列往往存在以下缺陷：
其一，绝大多数微针电极阵列不可拉伸，少数微针电极阵列具有拉伸性，但是性能十分有限，同时不具备单独寻址的能力。
其二，此前很难造出可定制化的微针电极阵列，比如让一个阵列包含不同长度的微针，从而能够测量不同深度的组织。
其三，无法便捷、精确地控制微针电极阵列的暴露区域，从而实现局部的信号采集，面对不同尺寸的微针电极阵列更是难以实现。
其四，制造工艺繁琐，导致很难规模化。
之所以存在上述缺陷，主要是因为制造刚性微针电极阵列所采用的工艺，与可拉伸柔性材料并不相容。
同时，对于微针的三维结构来说，它面临着材料集成和图案化方面的挑战。
基于此，该团队希望开发一种新型的微针电极阵列，并能解决以上缺陷。
（来源：Science Advances）
打造三维生物-电子界面
研究中，课题组从软体动物的肌肉结构和肌肉功能出发，明确了测量三维肌肉群内的肌电信号的要求。
同时，他们发明了一种利用水凝胶开展三维刻蚀的新方法，能在几秒内实现对于微针的选择性刻蚀，从而让电极只在针尖区域保持导电状态。
这种方案不仅能满足测量三维肌电信号的所有要求，同时具有低成本、高拉伸性、可规模化等优点。
赵航波表示：“这对于实现局部传感十分有必要。因此已有方法要么无法实现对于不同尺寸电极的检测区域控制，要么制造工艺十分繁琐缓慢。”
（来源：Science Advances）
而在此之后，他们和美国伊利诺伊大学香槟分校的合作者，一起在海蛞蝓上测试微针电极。
通过合作，他们首次测量出海蛞蝓在运动中的多个肌肉群的肌电信号时序图谱，借此解释了肌肉群的协同合作原理。
通过上述实验案例，展示了本次微针电极具备充当三维生物-电子界面的能力。
尽管他们从海蛞蝓离体组织上顺利测量到信号，但是在动物实验过程中，课题组经常遇到各种意想不到的困难。
比如，微针电极和组织的贴合、微针在组织内的成像定位等，都是他们曾遇到的难题。
“论文第一作者、课题组的博士生赵其耐在这个看似简单的动物实验上耗费了很多心血，很多次都是亲自去伊利诺伊大学与合作者共同做实验。”赵航波表示。
最终，相关论文以《用于肌内肌电图的高度可拉伸和可定制的微针电极阵列》（Highly stretchable and customizable microneedle electrode arrays for intramuscular electromyography）为题发在 Science Advances[1]。
赵其耐是第一作者，赵航波担任通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Science Advances）
目前，他们正在研究微针电极阵列在医疗领域的应用。
同时，他们还在探索如何将微针电极阵列与传感器、光学、光电子学和微流体学等结合，以用于光导辅助光学治疗、光遗传学和靶向药物输送等。
参考资料：
1.Zhao, Q., Gribkova, E., Shen, Y., Cui, J., Naughton, N., Liu, L., ... & Zhao, H. (2024). Highly stretchable and customizable microneedle electrode arrays for intramuscular electromyography.Science Advances, 10(18), eadn7202.
运营/排版：何晨龙
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本文源自金融界AI电报
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