釜山国立大学研究人员使用3D打印模具生产具有3D微结构的神经接口

导读：神经接口对于恢复和增强受损的神经功能至关重要，但目前的技术难以实现与柔软弯曲的神经组织的紧密接触。

2025年2月27日，南极熊获悉，来自釜山国立大学的研究人员提出了一种一步式微电热成型 (μETF)方法，创建具有 3D 微结构的柔性神经接口。他们的研究结果表明，这种方法可以改善神经记录和刺激，并有可能应用于人工视网膜设备和脑机接口。

微电极阵列 (MEA)被广泛用于记录大脑活动和刺激神经组织。然而，传统的 MEA 通常是扁平的，这限制了它们与神经结构自然曲线的贴合能力。现有的添加 3D 特征的方法需要多个制造步骤，这增加了复杂性并限制了设计可能性。

为了克服这些限制，由副教授 Joonsoo Jeong 和副教授 Kyungsik Eom 领导的团队开发了 μETF技术，灵感来自塑料热成型，这是一种将塑料片模制成不同形状的常用技术。研究成果以题为“Microelectrothermoforming (μETF): one-step versatile 3D shaping offlexible microelectronics for enhanced neural interfaces”的论文发表在《npj Flexible Electronics》杂志上。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41528-024-00378-0

Jeong 博士表示：“这项研究的灵感源自对外卖咖啡杯塑料盖的简单观察。我意识到这种塑性成型方法可以在微观层面应用，为神经电极创建 3D 结构。”

μETF 方法包括加热嵌入微电极的薄而柔韧的聚合物片，并压在 3D 打印模具上。研究人员使用液晶聚合物 (LCP) 作为基材，因为它具有机械强度、生物相容性和长期稳定性。基于上述过程可形成精确的凸起和凹陷结构 - 增强电极与目标神经元的接近度，同时保留电性能。与传统的微加工方法不同，μETF 简化了制造过程，并允许在单个 MEA 内实现各种复杂的 3D 结构，包括井、圆顶、墙壁和三角形特征。

△LCP MEA 的一步式 μETF，用于创建微观凸起和凹陷的 3D 结构，从而增强神经接口：a通过 3D 结构实现局部神经接口的优势（例如，降低阈值和通道间干扰）。b μETF 工艺示意图，将 3D 模具的 3D 结构转移到平面 LCP MEA 上。c后续微热成型和宏热成型工艺的横截面图，用于实现与目标细胞的高度接近性和与周围组织的顺应性。d LCP MEA的示意图（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 之后以适应眼球曲率。比例尺：1 毫米。e μETF LCP MEA 的 (i) 平面、(ii) 80 μm 突出和 (iii) 80 μm 凹陷电极部位的 SEM 图像和 f) 横截面图像。比例尺：100 μm。g突出（顶部）和凹陷（底部）电极位置的光学轮廓。

△通过一步 μETF 工艺创建的具有多种形状和高度的多功能 3D 结构。

在一项概念验证研究中，釜山国立大学的研究人员应用 μETF 开发了一种 3D MEA，专门针对盲人患者的视网膜刺激进行了优化。计算模拟和实验室实验表明，与传统平面电极相比，3D 电极可将刺激阈值降低 1.7 倍，并将空间分辨率提高 2.2 倍。Eom 博士说：“我们的 3D 结构使电极更接近目标神经元，使刺激更加高效和精确。”

除了视网膜刺激之外，研究人员还发现 μETF 可用于各种神经接口，包括大脑、脊髓、耳蜗和周围神经。该方法能够创建各种 3D 结构（包括孔、圆顶、墙壁和三角形特征），从而能够针对不同的神经环境定制电极设计。

这项技术的一个有希望的未来用途是脑机接口 (BCI)，它可以帮助瘫痪患者恢复运动能力。通过在运动皮层植入 3D 神经电极阵列，可以解码神经信号并转化为物理动作，例如控制机械臂或轮椅，就像Neuralink 等公司正在做的那样。

μETF 的多功能性不仅限于神经接口。研究团队正在探索在可穿戴电子产品、类器官研究和芯片实验室系统中的潜力，在这些系统中，精确的 3D 微结构可以增强设备功能。下一步包括改进制造技术，以用于更广泛的医疗应用。

μETF 能够增强神经记录和刺激并简化制造，代表了神经假体技术和神经康复治疗的重大进步。