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电子皮肤-具有高拉伸性且可定制化的微针电极阵列
作者:Qinai | 2024/5/4 15:39:58 | 浏览:323 | 评论:0

电子皮肤-具有高拉伸性且可定制化的微针电极阵列


电子皮肤-具有高拉伸性且可定制化的微针电极阵列


研究背景



可拉伸微针电极阵列可以穿透生物表层组织,并与组织的运动形变相适应,以微创的方式对生物体内部进行有针对性的传感和电刺激。这种技术提供了稳定的生物电子接口,从而提高了记录信号的质量,减少了组织损伤。在神经科学、组织工程及可穿戴生物电子等领域具有广泛的应用价值。然而,目前绝大多数微针都不具有可拉伸性,同时很难对微针电极的各种参数在单个器件层面进行定制化(例如定制化电极的长度分布、检测区域等)。这主要是因为制造刚性微针电极所采用的工艺与可拉伸柔性材料不相容,同时在微针的三维结构上面临着材料集成和图案化方面的挑战。


创新点



美国南加州大学赵航波课题组报道了一种新型可拉伸微针电极阵列的设计,制造和电生理传感应用。通过采用独特的激光刻蚀、微加工和转印的混合制造方案,制造了高拉伸性(60-90%),可单独寻址的微针电极阵列。微针电极的形态,长度,探测区域、阻抗和布局皆可通过低成本可规模化的方法定制。此可拉伸微针电极阵列可作为生物电子接口,例如作者展示了用该电极阵列检测海兔颊部各个肌肉群的肌内肌电信号。论文的第一作者是南加州大学博士生赵其耐,同时参与这项工作的还有伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Rhanor Gillette和Mattia Gazzola课题组。



文章解析

1. 可拉伸微针电极阵列


可拉伸微针电极阵列由聚酰亚胺微针电极和蛇形弹性连接线构成,涂覆金导电层,并与硅胶弹性体共价键合,实现高可拉伸性而不会剥离。

电子皮肤-具有高拉伸性且可定制化的微针电极阵列
图1:可拉伸微针电极阵列。(A)可拉伸微针电极阵列单向拉伸示意图。(B)、(C)可拉伸微针电极的低倍(B)和高倍(C)图像。(D)不同长度(约 800-1500 微米)的可拉伸微针电极阵列的侧视图。(E)6 × 6不同长度的微针电极阵列。(F)6 × 6 微针电极阵列在拉伸和扭转下的图像。


电子皮肤-具有高拉伸性且可定制化的微针电极阵列

图2:可拉伸微针电极阵列的制造步骤示意图。

2. 控制电极探测区域及微针的电学和力学表征
通过水凝胶-化学蚀刻控制微针尖端的导电区域。此方法可以针对不同长度的微针精确控制尖端的传导区域,以探测不同深度的组织。通过铂黑涂层改变微针电极表面形貌,有效降低电极阻抗。高杨氏模量(E = 6.6 GPa)的聚酰亚胺作为微针的主体材料,使其稳定地插入组织,而不会发生弯曲或断裂。
电子皮肤-具有高拉伸性且可定制化的微针电极阵列

图 3:电极探测区域和电阻抗的控制。(A)制造针尖导电的微针电极的步骤示意图。(B)凝胶辅助蚀刻微针尖端铜掩模的侧视显微图像。(C)选择性蚀刻针尖绝缘涂层后的SEM图像。(D)暴露针尖长度分别为80微米和140微米的两组微针的长度统计。(E)在针尖电化学沉积铂黑后的 SEM 图像。(F)电化学沉积铂黑之前和之后的微针电极阻抗谱和在1 kHz 频率下的平均阻抗。(G)针尖带有铂黑的微针连续插入琼脂糖凝胶后在 1 kHz 下的阻抗。

3. 微针电极阵列的可拉伸性
微针和蛇形连接线与弹性基底的共价结合提供了微针电极的高可拉伸性(60-90%),使其能跟随软组织的变形,保持微针的稳定插入,并减少对组织的应力损伤。
电子皮肤-具有高拉伸性且可定制化的微针电极阵列

图 4:可拉伸微针电极阵列的拉伸性。(A)实验和对应的仿真结果展示了可拉伸微针电极阵列在松弛状态、拉伸以及拉伸和扭转组合下的聚酰亚胺层的最大主应变分布。(B)可拉伸微针电极阵列在单向拉伸至 100% 下的侧视图。(C)可拉伸微针电极阵列的阻抗与拉伸应变的关系。(D)本工作中的可拉伸微针电极阵列与先前报道的柔性或可拉伸微针电极阵列在微针模量和拉伸性方面的比较。

4. 离体肌内肌电信号检测
可拉伸微针电极阵列可用于离体海兔颊部的肌内肌电信号检测。将不同长度的微针电极插入不同的肌肉组,使其跟随颊部肌肉的变形,记录不同肌肉组的肌电信号。与平板微电极阵列记录的表面肌电信号相比,微针电极记录的肌内肌电信号较强且有特异性。这说明可拉伸微针电极阵列可以成为检测或刺激生物体中活动深层组织的有用工具,以促进生物和神经科学的研究。
电子皮肤-具有高拉伸性且可定制化的微针电极阵列

图5:使用可拉伸微针电极阵列和平板微电极阵列对海兔颊部肌内和表面肌电信号进行离体测量。(A)海兔颊部肌肉收缩运动周期的示意图。(B)、(C)贴有可拉伸微针电极阵列的颊部肌肉的照片以及收缩运动期间相应的尺寸变化。 R:前颊部肌肉的直径,L:从口腔到食管的长度。(D)显微图像显示微针电极插入颊部的 I1/I3 和 I2 肌群。(E)插入颊部的每个微针电极分布。(F-G)分别由拉伸微针电极阵列(F)和平板微电极阵列(G)记录的肌内肌电和表面肌电信号。(H-I)可拉伸微针电极阵列(H)和平板微电极阵列(I)所探测的肌内肌电和表面肌电信号的平均功率谱图。


读后感

作者提出了一种制造高度可拉伸且可定制化的微针电极阵列的方法,并通过采用水凝胶-化学蚀刻实现了对电极检测区域的方便调控。这些微针具有较高的刚度,能够稳固地插入生物组织,而高可拉伸性确保了其与柔软、活动的生物组织的紧密贴合。这使得可拉伸微针电极作为一种生物-电子界面,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等方向都有潜在应用。

【参考文献】

        https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn7202



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