Nature子刊-柔性薄膜上3D电极的直接激光写入

news2025/2/5 6:07:11

美国俄勒冈大学研究员设计了一种集成在柔性薄膜上的3D微电极阵列，其制造过程结合了传统的硅薄膜处理技术和双光子光刻在微米分辨率下的3D结构的直接激光书写技术，首次提出了一种产生高深宽比结构的方法。

发表在《自然通讯》杂志上的这项研究，介绍了利用双光子光刻和薄膜制备工艺制备的3D微电极阵列，可产生高深宽比（>10：1）结构，集成在柔性PI聚酰亚胺或Parylene C薄膜上，包括一种300µm间距的16通道阵列、一种可穿透硬脑膜的仿生（蚊子针）阵列，以及一种增强表面积的多孔电极。这项研究中描述的3D打印过程适用于各种设计，允许电极阵列创建不同的高度轮廓和电极形状，符合大脑的特定解剖特征。其应用范围包括动物模型、神经界面、视网膜植入物和需要高密度的3D电极的设备。

高速3D直接激光书写

双光子光刻技术是一种3D打印方法，利用红外光的飞秒脉冲在高数值孔径透镜的焦点处聚合紫外光刻胶。通过改变液体光刻胶中的焦点位置，可以写出具有微米分辨率的复杂聚合物形状。它使用共振扫描镜，相对于大多数基于电流计的打印机，将打印速度提高了1-2个数量级，并结合了荧光成像和反射光传感，提供了聚合物交联程度和表面定位的实时信息。

用于神经记录的3D打印电极阵列

通过双光子光刻技术在薄膜上3D打印非导电结构，随后涂上导电性铂，形成功能电极阵列。16通道电极阵列（图1），高为350µm，间隔为90µm，记录尖端直径为20µm，尖刺阵列打印时间大约10 min。电极到外部连接器的柔性电缆为混合PI/ParyleneC。通过聚焦离子束（FIB）铣削技术，利用高脉冲，能量放大的飞秒激光，以微米分辨率烧蚀，去除电极尖端Parylene C。激光烧结后，在每个电极的顶部都打印出一个小的“原木桩”结构（图3e)，创建了额外的表面积。电极阻抗降低，在1kHz的平均阻抗为200 kΩ（图4）。

▲图1 16通道电极阵列

▲图2 制备工艺

▲图3 16通道电极尖端表征图

▲图4 电极表面和阻抗

神经植入和记录

对斑胸草雀和鼠进行记录。该电极在多个通道上接收到高信噪比（＞8），可以在单细胞水平上捕获神经元信号。这项研究记录了清醒的、自由呼吸的小鼠嗅球的Spike和LFP遵循呼吸节律。

▲图5不同物种的神经记录

仿生几何形状和插入试验

具有20 µm平尖端几何形状的单个电极将承受1-3 mN的临界力。为了减少组织插入力，研究人员开发了一种仿生几何形状的电极原型。蚊子的喙减少了插入力，同时可以抵抗屈曲。利用3D打印类似蚊子针尖的结构，发现这种结构可以插入鸣禽的大脑而无需移除硬脑膜。

▲图6 仿生电极结构

多孔刺激电极

神经电极可用于高通道的神经调制。传统的微电极阵列是平面的。3D刺激电极的突出表面在电极与神经组织之间提供更好的电接触，通过高深宽比的刺激电极，可以将电荷传递集中到目标神经元，提高刺激阈值和特异性，在皮层微ECoG记录和刺激以及周围神经接口方面有潜在的应用。研究人员开发了一种制造多孔3D电极的工艺，孔隙截面从40µm2到400µm2。固体锥体电极，相对于平坦的二维电极，电荷存储容量增加了2倍。然而，虽然多孔锥体的表面积是固体锥体的2倍，但二者表现出相似的循环伏安曲线。组织生长可能是电荷注入的限制因素，但它可以稳定多孔的神经界面，防止微运动，减少纤维化包裹。

▲图7硅衬底上多孔电极制备工艺

▲图8 刺激电极形貌与性能

讨论

3D打印可定制独特的电极几何形状和电极长度轮廓，匹配特定大脑区域的曲率或深度。同时可减小电极的横截面，使慢性神经记录具有更高的信噪比。横截面明显大于神经细胞的电极，会产生不良组织反应，损伤距离植入物100µm范围的细胞，使动作电位幅值随距离电极的距离迅速衰减。不良组织反应引起的疤痕限制了密集排列的单神经元分辨率的记录。这项研究中使用的双光子光刻3D打印技术是稳健的，晶片规模的，并完全兼容硅和柔性聚酰亚胺器件的制备工艺，可以制备出尺寸低于20µm的微电极，避免大脑的大部分免疫反应。同时开发激光尖端烧结方法，可以保持尖锐的几何形状，使得电极可以插入脑组织而不屈曲。

来源：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-39152-7

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