植入式生物電子學(xué)為實(shí)時(shí)和連續監測活體生理信號提供了前所未有的機會(huì )。大多數生物電子學(xué)采用薄膜襯底，如聚酰亞胺和聚二甲基硅氧烷，表現出高水平的柔性和可拉伸性。然而，這些薄膜的低透氣性和相對高的模量阻礙了長(cháng)期的生物相容性。相比之下，在多孔基底上制造的器件具有高透氣性的優(yōu)點(diǎn)，但圖案密度低。

創(chuàng )新點(diǎn)

香港理工大學(xué)Zijian Zheng和香港城市大學(xué)Xinge Yu課題組提出了一種晶圓尺度的高分辨率制造策略，用于超軟，可拉伸和高透氣性的液態(tài)金屬微電極(μLMEs)。通過(guò)光刻技術(shù)在4英寸彈性纖維氈上展示了2μm的圖案化能力，或高達~75,500個(gè)電極/cm2的超高密度μLME陣列。植入μLME陣列作為神經(jīng)接口，對活體大鼠的皮質(zhì)電圖信號進(jìn)行高時(shí)空定位和干預。植入的μLMEs具有8個(gè)月以上的長(cháng)期生物相容性。

文章解析

圖1：可拉伸和可滲透的液態(tài)金屬微電極（μLMEs）的制備過(guò)程。（A）μLMES制造過(guò)程的示意圖。（B）比較使用可滲透的纖維墊或不可滲透的薄膜對犧牲層的不同溶解過(guò)程影響示意圖。

圖2：μLMEs結構示意圖。(A)銀微圖案從晶圓轉移到SBS纖維墊的圖像。插圖為轉移之前在晶圓上的圖案。(B)附著(zhù)在人體手臂上的μLMEs的圖像（液態(tài)金屬負載量：10 mg/cm2）。(C)溶劑對犧牲層的接觸角和滲透速度以及(D)圖案轉移成功率與等離子體處理時(shí)間的函數。(E)LM在轉移銀層上的接觸角隨銀厚度的變化。(F)選擇性潤濕前后SBS纖維墊上電極的掃描電鏡圖像。(G)μLMEs的線(xiàn)寬與Ag電極的原始線(xiàn)寬的對應關(guān)系。(H,I)μLMEs高密度陣列的，陣列密度高達75500電極/cm2。

圖3：μLMEs的滲透性、導電性和拉伸性表征。(A)一個(gè)彩色水滴從μLMEs的一側滲透到另一側光學(xué)圖像。(B,C)μLMEs在不同厚度SBS纖維墊上以及其他生物電子學(xué)常用襯底，包括PDMS,Ecoflex和醫療貼片上的透氣性和透濕性表征。(D)不同線(xiàn)寬下μLMEs的電導率變化。(E)不同線(xiàn)寬μLMEs在不同拉伸應變下的電阻。(F)在1000%的大拉伸應變下μLMEs（線(xiàn)寬50μm）的循環(huán)電穩定性。

圖4：基于高密度μLMEs的神經(jīng)電生理界面生物電子學(xué)表征。(A)基于μLMEs的ECoG陣列的示意圖和記錄的皮質(zhì)子域。(B,C)μLME ECoG電極陣列（厚度25μm）在柔軟、彎曲和復雜的大腦皮層上適形附著(zhù)的數字圖像。虛線(xiàn)表示μLME陣列的邊界。(D)μLMEs的楊氏模量與已經(jīng)報道的ECoG生物電極材料的比較。(E)不同應變下μLMEs和Au/PI電極的體外電化學(xué)阻抗譜(EIS)表征。(F)活體大鼠睡眠狀態(tài)下體內神經(jīng)信號的功率譜分析。(G)用μLMEs記錄不同頻率脈沖電壓電刺激下的體感誘發(fā)電位(SEPs)。(H)不同強度脈沖電壓電刺激下對側和同側體感覺(jué)皮質(zhì)電位的比較。(I)對側體感覺(jué)皮層在10次強度為6 V、頻率為1 Hz的連續電刺激下的信號譜圖。(J)左右前肢電刺激下μLME陣列的時(shí)空特性研究。

圖5：μLMEs用于慢性神經(jīng)植入物的慢性(長(cháng)期)生物相容性表征。(A)電極陣列植入2小時(shí)后染色腦切片的免疫組織學(xué)分析。(B)對照植入后2周，Au/PI電極、Au/PDMS電極、μLME電極和μLME電極，植入時(shí)間為32周(32w)，免疫組化染色小膠質(zhì)細胞(Iba1，綠色)和細胞核[4′，6-二氨基-2-苯基吲哚(DAPI)，藍色]。左圖為低放大圖(比例尺=1000μm)，右圖為高放大圖(比例尺=200μm)。(C)小膠質(zhì)細胞胞體大小的統計分析(n=6)。Au/PI組(P=0.0002)和Au/PDMS組(P=0.0375)的小膠質(zhì)細胞胞體大小與對照組相比顯著(zhù)增加(雙向，非配對Student's t檢驗)。μLME組與對照組之間差異無(wú)統計學(xué)意義(植入后2周P=0.4482，植入后32周P=0.6143)。(D)總小膠質(zhì)細胞數量的統計分析（n=6）。與對照組（雙向，未配對的學(xué)生t檢驗）相比，在A(yíng)U/PI組（P<0.0001）和AU/PDMS組（P=0.0274）中發(fā)現了IBA1細胞的顯著(zhù)增加。μLME組和對照組之間沒(méi)有發(fā)現顯著(zhù)差異（植入后2周時(shí)P=0.3912，在植入后32周時(shí)P=0.2566）。

結論與展望

作者提出一種晶圓級高分辨液態(tài)金屬微電極（μLME）的制備方案，在超軟，可拉伸和高透氣性纖維墊上實(shí)現了每平方厘米75000個(gè)電極的圖案分辨率，這些μLME顯示出優(yōu)異的機械柔性，當延伸至1000％應變時(shí)仍表現出出色導電性，以及在皮膚附著(zhù)和植入測試中的生物相容性，并且可以用于腦皮層電信號的采集。這一方案為高密度，可集成，可植入的生物電子提供了解決思路。