1. Teknisk bakgrund och betydelse
Mycket töjbara mikronålelektroduppsättningar kan penetrera de ytliga lagren av biologiska vävnader, anpassa sig till deformationer som orsakas av vävnadsrörelser och uppnå riktad avkänning och elektrisk stimulering i levande organismer genom ett minimalt invasivt tillvägagångssätt. De tillhandahåller ett stabilt bioelektroniskt gränssnitt, förbättrar kvaliteten på signalinspelning och minskar vävnadsskador, och hittar därmed breda tillämpningar inom neurovetenskap, vävnadsteknik och bärbar bioelektronik.
Nuvarande mikronålsteknologi har betydande begränsningar: de allra flesta mikronålar saknar töjbarhet, och det är svårt att anpassa parametrar som längdfördelning och detektionsområde för mikronålselektroder på individuell enhetsnivå. De centrala orsakerna ligger i inkompatibiliteten mellan tillverkningsprocesserna för styva mikronålelektroder och töjbara flexibla material, såväl som de tekniska utmaningarna i materialintegration och mönstring av den tredimensionella (3D) strukturen hos mikronålar.
2. Forskningsteam och prestationspublikation
Forskargruppen leds av Hangbo Zhao från institutionen för flyg- och rymdteknik och institutionen för biomedicinsk teknik vid University of Southern California (USC) (med Qina Zhao, doktorand vid institutionen, som första författare), i samarbete med forskargrupperna av Rhanor Gillette och Mattia Gazzola från University of Illinois i Urbana- publicerade en omslagsartikel (UIChamp),Vetenskapens framsteg. Artikeln rapporterar design, tillverkning och elektrofysiologiska avkänningstillämpningar för en ny typ av töjbar mikronålelektroduppsättning, som kan fungera som ett effektivt bioelektroniskt gränssnitt. Till exempel har den använts för att detektera intramuskulära elektromyografiska (EMG) signaler från olika muskelgrupper i den buckala regionen av Aplysia (havsharar).
Forskningsfokuset för Zhaos grupp härrör från deras intresse för muskelrörelsemekanismerna hos mjuka-djur, till exempel sträckning och böjning av bläckfisktentakler och krypning och matning av havssniglar. Att studera mekanismen för koordinerad verkan av multi-muskelgrupper fördelade i 3D-rymden är av stor betydelse inom områdena biologi, bionik och robotik.
3. Kärntekniska innovationer
Hybridtillverkningsschema: En unik tillverkningsmetod som kombinerar laseretsning, mikrotillverkning och transfertryck har antagits för att framgångsrikt skapa en mycket töjbar (med en töjningshastighet på 60 %-90 %) och individuellt adresserbar mikronålelektroduppsättning. Genom billiga och skalbara processer kan mikronålelektrodernas morfologi, längd, detektionsarea, impedans och layout anpassas flexibelt.
Reglering av elektroddetektionsområde: En ny 3D hydrogeletsmetod har uppfunnits, som möjliggör selektiv etsning av mikronålar inom några sekunder, vilket säkerställer att endast spetsområdet på elektroden förblir ledande. Med hydrogel-kemisk etsningsteknik kan detektionsområdet för spetselektroden regleras exakt för mikronålar av olika längd och därigenom detektera vävnadssignaler på olika djup.
Struktur- och materialdesign: Mikronålelektroduppsättningen består av mikronålelektroder av polyimid och elastiska anslutningstrådar i serpentin. Efter att ha belagts med ett guldledande skikt är det kovalent bundet till en silikonelastomer, vilket inte bara säkerställer hög töjbarhet utan också undviker problem med skalning under användning.
Schematiskt diagram över tillverkningsstegen för sträckbara mikronålelektroduppsättningar.
Sträckbarhetstestning av töjbara mikronålelektroduppsättningar
4. Experimentell verifiering och effekter
Experimentellt scenario: I experimentet med att detektera intramuskulära EMG-signaler från den buckala regionen av isolerad Aplysia, sattes mikronålelektroder av olika längd in i olika muskelgrupper. Elektroderna kunde följa deformationen av de buckala musklerna och stabilt registrera EMG-signaler från varje muskelgrupp.
Prestandajämförelse: Jämfört med yt-EMG-signalerna som registrerats av plana mikronålelektroduppsättningar, är de intramuskulära EMG-signalerna som registreras av denna töjbara mikronålelektrod starkare och mer specifika. Detta bevisar att det effektivt kan upptäcka signaler från djupa aktiva vävnader i levande organismer och kan också användas som ett verktyg för elektrisk stimulering av djupa vävnader, vilket ger stöd för biologisk och neurovetenskaplig forskning.
Verifiering av kärnfunktioner: Experimentet visar fullt ut att denna mikronålelektrod har förmågan att fungera som ett bioelektroniskt 3D-gränssnitt, vilket balanserar mikronålarnas strukturella styvhet och materialflexibilitet. Den relativt höga styvheten gör att den kan föras in stabilt i biologiska vävnader, medan den höga töjbarheten säkerställer tät vidhäftning till mjuka och rörliga biologiska vävnader.
In vitro-mätningar av intramuskulära och ytelektromyografiska signaler i Aplysia buckala muskler utfördes med användning av sträckbara mikronålelektroduppsättningar och platta mikroelektroduppsättningar.
Dessa experimentella exempel visar förmågan hos dessa mikronålelektroder att fungera som ett 3D bio-elektroniskt gränssnitt.
5. Tillämpningsutsikter för uppnåendet
Som ett avancerat bioelektroniskt gränssnitt har denna töjbara mikronålelektroduppsättning potentiellt applikationsvärde inom flera områden:
Elektrofysiologisk avkänning inom området för hjärnans-datorgränssnitt;
Elektrokemisk avkänning av interstitiell hudvätska;
Elektrisk stimulering av nerv- och muskelvävnader.
6. Tillgång till tidningen
Länk till relevant forskningsartikel: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn7202