微电热成型 (μETF)技术制备3D微结构，可用于增强神经接口

导读：多年来，研究人员在设计 3D 神经接口时一直面临重重困难。传统的微机电系统 (MEMS) 技术需要多个制造步骤才能将 3D 微结构构建到平面 MEA 上，这使得制备过程变得复杂，并且限制了可以实现的形状多样性。传统上采用光刻、真空沉积和蚀刻等方法，但这些方法存在设计限制。

2025年3月5日，南极熊获悉，来自釜山国立大学和首尔国立大学的研究人员提出了一种能够成形接近人体神经组织的微电极阵列 (MEA) 的微电热成型 (μETF)技术，可为记录和刺激应用建立有效的神经接口。这项技术简化了使用热塑性塑料和 3D 打印模具在微电极阵列 (MEA) 上创建复杂 3D 微结构的过程。

相关研究以题为“Microelectrothermoforming (μETF): one-step versatile 3D shaping of flexible microelectronics for enhanced neural interfaces”的论文发表在《npj Flexible Electronics》杂志上，它提供了一种解决这些障碍的方法，允许使用 3D 打印的模具（但不是最终电极本身的一部分）在一个步骤中将平面电极阵列塑造成 3D 微结构。

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

Jeong 博士说道:“这项研究的灵感来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，”。

△通过一步式 μETF 工艺创建具有多种形状和高度的多功能 3D 结构。图片来自 PNU

改善神经刺激和耐久性

研究团队应用 μETF 技术成功制作出具有 80 微米高凸起和凹陷的 MEA，可在同一电极阵列内创建不同的形状，为针对特定神经应用定制更多定制微电极结构铺平了道路。

视网膜刺激实验中的测试表明，这些 3D MEA 明显优于传统的平面电极，所需的刺激电流减少了 1.7 倍，空间分辨率提高了 2.2 倍。

μETF 的最大优势之一是它无需额外的加工步骤即可塑造 3D 微结构，它依靠液晶聚合物 (LCP) 作为热塑性基材，具有耐用性、耐化学性和生物相容性。

LCP 的低吸水率也非常适合长期植入。虽然 LCP 是本研究中的首选材料，但研究人员指出，μETF 可以应用于生物医学工程中常用的其他热塑性塑料。

这些 3D MEA 的有效性通过计算机模拟和小鼠模型的体外实验得到进一步验证。研究结果表明，3D 结构改善了电场的定位，减少了有效刺激所需的电流。

小鼠视网膜的钙成像证实，突出电极比平面电极更有效地激活视网膜神经节细胞，无论是在较低所需电流方面还是在较高空间精度方面。

除了性能之外，耐用性也是另一个关键因素。机械和电化学评估证实，μETF 制造的 MEA 在生理压力条件下保持了完整性。

即使经过反复变形，电气性能仍保持稳定，有限元分析表明，新设计最大限度地减少了嵌入导电层的机械应变，确保了长期可靠性。

这项研究的意义不仅限于神经植入，研究人员正在研究它在可穿戴电子设备、类器官研究和芯片实验室系统中的潜力，在这些领域，精确的 3D 微结构可能会产生真正的影响。现在的重点是改进制造工艺，以用于更广泛的医疗应用。

△体外视网膜实验用于评估 μETF MEA 对视网膜下刺激的有效性。图片来自 PNU。

3D打印在神经植入物方面的进展

3D 打印很少应用于神经植入领域。早在 2020 年，麻省理工学院(MIT) 的研究人员就利用 3D 打印和导电聚合物材料开发了柔软、灵活的脑电极。这些植入物的设计符合大脑的自然轮廓，为传统金属电极提供了一种更安全、适应性更强的替代品，而传统金属电极往往会导致炎症和疤痕。

通过将聚（3,4-乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐 (PEDOT:PSS) 精炼成可打印的水凝胶，研究团队确保凝胶材料在保持柔软结构的同时保持导电性。早期对小鼠的测试证实了电极能够高精度地检测神经信号。

此外，卡内基梅隆大学的研究人员利用纳米粒子 3D 打印技术开发出一种新型高密度神经探针，以增强神经数据记录。项目由 BRAIN 计划下 NIH 提供的 195 万美元资助，旨在创建一种经济高效的脑植入物制造方法。

在 Rahul Panat 和 Eric Yttri 的带领下，研究团队使用气溶胶喷射打印 (AJP) 制造可定制的超高密度微电极阵列，在分辨率和可植入性方面超越了传统探针。通过实现精确的脑机接口 (BMI) 和神经假体应用，AJP技术显著提高了电极的可及性，同时减少了组织损伤。