釜山國立大學研究人員使用3D打印模具生產(chǎn)具有3D微結(jié)構(gòu)的神經(jīng)接口

導讀：神經(jīng)接口對于恢復和增強受損的神經(jīng)功能至關(guān)重要，但目前的技術(shù)難以實現(xiàn)與柔軟彎曲的神經(jīng)組織的緊密接觸。

2025年2月27日，南極熊獲悉，來自釜山國立大學的研究人員提出了一種一步式微電熱成型 (μETF)方法，創(chuàng)建具有 3D 微結(jié)構(gòu)的柔性神經(jīng)接口。他們的研究結(jié)果表明，這種方法可以改善神經(jīng)記錄和刺激，并有可能應用于人工視網(wǎng)膜設(shè)備和腦機接口。

微電極陣列 (MEA)被廣泛用于記錄大腦活動和刺激神經(jīng)組織。然而，傳統(tǒng)的 MEA 通常是扁平的，這限制了它們與神經(jīng)結(jié)構(gòu)自然曲線的貼合能力�，F(xiàn)有的添加 3D 特征的方法需要多個制造步驟，這增加了復雜性并限制了設(shè)計可能性。

為了克服這些限制，由副教授 Joonsoo Jeong 和副教授 Kyungsik Eom 領(lǐng)導的團隊開發(fā)了 μETF技術(shù)，靈感來自塑料熱成型，這是一種將塑料片模制成不同形狀的常用技術(shù)。研究成果以題為“Microelectrothermoforming (μETF): one-step versatile 3D shaping offlexible microelectronics for enhanced neural interfaces”的論文發(fā)表在《npj Flexible Electronics》雜志上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41528-024-00378-0

Jeong 博士表示：“這項研究的靈感源自對外賣咖啡杯塑料蓋的簡單觀察。我意識到這種塑性成型方法可以在微觀層面應用，為神經(jīng)電極創(chuàng)建 3D 結(jié)構(gòu)。”

μETF 方法包括加熱嵌入微電極的薄而柔韌的聚合物片，并壓在 3D 打印模具上。研究人員使用液晶聚合物 (LCP) 作為基材，因為它具有機械強度、生物相容性和長期穩(wěn)定性。基于上述過程可形成精確的凸起和凹陷結(jié)構(gòu) - 增強電極與目標神經(jīng)元的接近度，同時保留電性能。與傳統(tǒng)的微加工方法不同，μETF 簡化了制造過程，并允許在單個 MEA 內(nèi)實現(xiàn)各種復雜的 3D 結(jié)構(gòu)，包括井、圓頂、墻壁和三角形特征。

△LCP MEA 的一步式 μETF，用于創(chuàng)建微觀凸起和凹陷的 3D 結(jié)構(gòu)，從而增強神經(jīng)接口：a通過 3D 結(jié)構(gòu)實現(xiàn)局部神經(jīng)接口的優(yōu)勢（例如，降低閾值和通道間干擾）。b μETF 工藝示意圖，將 3D 模具的 3D 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到平面 LCP MEA 上。c后續(xù)微熱成型和宏熱成型工藝的橫截面圖，用于實現(xiàn)與目標細胞的高度接近性和與周圍組織的順應性。d LCP MEA的示意圖（上行）和照片（下行）（i）μETF 之前，ii）突出或 iii) 凹陷 80 μm 高度的 μETF 之后，和 (iv) 宏 ETF 之后以適應眼球曲率。比例尺：1 毫米。e μETF LCP MEA 的 (i) 平面、(ii) 80 μm 突出和 (iii) 80 μm 凹陷電極部位的 SEM 圖像和 f) 橫截面圖像。比例尺：100 μm。g突出（頂部）和凹陷（底部）電極位置的光學輪廓。

△通過一步 μETF 工藝創(chuàng)建的具有多種形狀和高度的多功能 3D 結(jié)構(gòu)。

在一項概念驗證研究中，釜山國立大學的研究人員應用 μETF 開發(fā)了一種 3D MEA，專門針對盲人患者的視網(wǎng)膜刺激進行了優(yōu)化。計算模擬和實驗室實驗表明，與傳統(tǒng)平面電極相比，3D 電極可將刺激閾值降低 1.7 倍，并將空間分辨率提高 2.2 倍。Eom 博士說：“我們的 3D 結(jié)構(gòu)使電極更接近目標神經(jīng)元，使刺激更加高效和精確。”

除了視網(wǎng)膜刺激之外，研究人員還發(fā)現(xiàn) μETF 可用于各種神經(jīng)接口，包括大腦、脊髓、耳蝸和周圍神經(jīng)。該方法能夠創(chuàng)建各種 3D 結(jié)構(gòu)（包括孔、圓頂、墻壁和三角形特征），從而能夠針對不同的神經(jīng)環(huán)境定制電極設(shè)計。

這項技術(shù)的一個有希望的未來用途是腦機接口 (BCI)，它可以幫助癱瘓患者恢復運動能力。通過在運動皮層植入 3D 神經(jīng)電極陣列，可以解碼神經(jīng)信號并轉(zhuǎn)化為物理動作，例如控制機械臂或輪椅，就像Neuralink 等公司正在做的那樣。

μETF 的多功能性不僅限于神經(jīng)接口。研究團隊正在探索在可穿戴電子產(chǎn)品、類器官研究和芯片實驗室系統(tǒng)中的潛力，在這些系統(tǒng)中，精確的 3D 微結(jié)構(gòu)可以增強設(shè)備功能。下一步包括改進制造技術(shù)，以用于更廣泛的醫(yī)療應用。

μETF 能夠增強神經(jīng)記錄和刺激并簡化制造，代表了神經(jīng)假體技術(shù)和神經(jīng)康復治療的重大進步。