1. Teknisk bakgrunn og betydning

Svært strekkbare mikronålelektroder kan trenge gjennom de overfladiske lagene av biologisk vev, tilpasse seg deformasjonen forårsaket av vevsbevegelser, og oppnå målrettet sansing og elektrisk stimulering i levende organismer gjennom en minimalt invasiv tilnærming. De gir et stabilt bioelektronisk grensesnitt, forbedrer kvaliteten på signalopptak og reduserer vevsskader, og finner dermed brede anvendelser innen nevrovitenskap, vevsteknikk og bærbar bioelektronikk.

Nåværende mikronålteknologi har betydelige begrensninger: de aller fleste mikronåler mangler strekkbarhet, og det er vanskelig å tilpasse parametere som lengdefordelingen og deteksjonsområdet til mikronålelektrodene på det enkelte enhetsnivå. Kjerneårsakene ligger i inkompatibiliteten mellom produksjonsprosessene til stive mikronålelektroder og strekkbare fleksible materialer, samt de tekniske utfordringene i materialintegrasjon og mønster av den tredimensjonale (3D) strukturen til mikronåler.

2. Forskningsteam og prestasjonspublikasjon

Forskningsgruppen ledet av Hangbo Zhao fra Department of Aerospace and Mechanical Engineering og Department of Biomedical Engineering ved University of Southern California (USC) (med Qina Zhao, en doktorgradsstudent ved avdelingen, som førsteforfatter), i samarbeid med forskningsgruppene til Rhanor Gillette og Mattia Gazzola fra University of Illinois i Urbana- publiserte en cover (UIChamp)Vitenskapens fremskritt. Artikkelen rapporterer design, produksjon og elektrofysiologisk sensing av en ny type strekkbare mikronålelektroder, som kan tjene som et effektivt bioelektronisk grensesnitt. For eksempel har det blitt brukt til å oppdage intramuskulære elektromyografiske (EMG) signaler fra ulike muskelgrupper i den bukkale regionen Aplysia (sjøharer).

Forskningsfokuset til Zhaos gruppe stammer fra deres interesse for muskelbevegelsesmekanismene til myke-dyr, for eksempel tøying og bøying av blekkspruttentakler, og kryping og mating av sjøsnegler. Å studere mekanismen for koordinert handling av multi-muskelgrupper fordelt i 3D-rom er av stor betydning innen biologi, bionikk og robotikk.

3. Kjerneteknologiske innovasjoner

Hybrid produksjonsordning: En unik produksjonsmetode som kombinerer laseretsing, mikrofabrikasjon og overføringsutskrift er tatt i bruk for å skape en svært strekkbar (med en strekkhastighet på 60 %-90 %) og individuelt adresserbar mikronålelektrodegruppe. Gjennom rimelige og skalerbare prosesser kan morfologien, lengden, deteksjonsområdet, impedansen og utformingen av mikronålelektrodene tilpasses fleksibelt.

Regulering av elektrodedeteksjonsområde: En ny 3D hydrogel-etsemetode er oppfunnet, som muliggjør selektiv etsing av mikronåler i løpet av noen få sekunder, og sikrer at kun spissen av elektroden forblir ledende. Med den hydrogel-kjemiske etseteknologien kan deteksjonsområdet til spisselektroden reguleres nøyaktig for mikronåler av forskjellig lengde, og detekterer derved vevssignaler i forskjellige dybder.

Struktur- og materialdesign: Mikronålelektrodegruppen består av mikronålelektroder i polyimid og elastiske koblingstråder. Etter å ha blitt belagt med et gullledende lag, er det kovalent bundet til en silikonelastomer, som ikke bare sikrer høy strekkbarhet, men også unngår avskallingsproblemer under bruk.

Skjematisk diagram over fabrikasjonstrinnene for strekkbare mikronålelektroder.

Strekkbarhetstesting av strekkbare mikronålelektroder

4. Eksperimentell verifisering og effekter

Eksperimentelt scenario: I forsøket med å detektere intramuskulære EMG-signaler fra den bukkale regionen til isolert Aplysia, ble mikronålelektroder av forskjellig lengde satt inn i forskjellige muskelgrupper. Elektrodene kunne følge deformasjonen av bukkalmusklene og stabilt registrere EMG-signaler fra hver muskelgruppe.

Sammenligning av ytelse: Sammenlignet med overflate-EMG-signalene registrert av plane mikronålelektroder, er de intramuskulære EMG-signalene registrert av denne strekkbare mikronålelektroden sterkere og mer spesifikke. Dette beviser at det effektivt kan oppdage signaler fra dypt aktivt vev i levende organismer og kan også brukes som et verktøy for elektrisk stimulering av dype vev, og gir støtte til biologisk og nevrovitenskapelig forskning.

Verifisering av kjernefunksjoner: Eksperimentet demonstrerer fullt ut at denne mikronålelektroden har evnen til å tjene som et 3D bioelektronisk grensesnitt, som balanserer den strukturelle stivheten og materialfleksibiliteten til mikronålene. Den relativt høye stivheten gjør at den kan settes stabilt inn i biologisk vev, mens den høye strekkbarheten sikrer tett vedheft til mykt og bevegelig biologisk vev.

In vitro-målinger av intramuskulære og overflateelektromyografiske signaler i Aplysia bukkalmuskler ble utført ved bruk av strekkbare mikronålelektroder og flate mikroelektrodematriser.

Disse eksperimentelle eksemplene viser evnen til disse mikronålelektrodene til å tjene som et 3D bio-elektronisk grensesnitt.

5. Søknadsutsikter for prestasjonen

Som et avansert bioelektronisk grensesnitt har denne strekkbare mikronålselektrodegruppen potensiell bruksverdi i flere felt:

Elektrofysiologisk sansing innen hjerne-datamaskingrensesnitt;

Elektrokjemisk sensing av hud interstitiell væske;

Elektrisk stimulering av nevrale og muskelvev.

6. Tilgang til papiret

Link til relevant forskningsartikkel: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn7202