CMU阵列：3D打印实现对大规模高密度电极阵列定制化

微电极阵列在记录电生理活动方面发挥了巨大作用，是脑功能研究的重要手段。然而目前大多数微电极的应用都受制于覆盖范围、脆性和费用方面的局限性。来自卡耐基梅隆大学的研究团队最近开发了利用3D纳米颗粒打印方法定制微电极的方法，并且在活体记录方面取得了出色的结果。这种可定制的3D多电极设备具有高电极密度，最小的肉眼组织损伤和优秀的信噪比。最重要的，3D打印的定制方法允许灵活的电极重构，例如不同的个体柄长度和布局，降低了总体通道阻抗。这种有效的设备设计使得在整个大脑中有针对性地和大规模地记录电信号成为可能，该技术发表在《Science Advances》上。

3D打印的实现

为了实现以纳米粒子形式自由使用材料，该团队使用了喷墨和气溶胶喷射技术。这种3D纳米颗粒打印方法可以构建出微电极阵列上突出的电极，从而实现整个组织体的记录和2D信号路线，以将信号传输到连接器。

图1 打印过程示例；形成3D结构的过程包括将含有金属纳米颗粒的液滴堆叠在彼此的顶部，从而形成高纵横比的柄。溶剂加热蒸发可以使液滴在接近基底时迅速凝固。固化的液滴再作为后续液滴的基底，依次类推从而形成3D电极阵列。液滴的分配由一个快门控制，该快门每隔4 ms重新启动一次，从而实现阵列的快速打印。坚固的结构使长而窄的柄（纵横比在50：1或更高）能够被瞄准到感兴趣的区域。用于记录数据的32通道设备由突出柄阵列和从单个柄到焊接到Omnetics连接器焊盘的路径组成。

借助计算机辅助设计（CAD）工具，可以用最少的资源和时间单独定制每个刀柄的高度和位置，以及它们各自的电气布线。

图2 使用3D纳米粒子打印制造微电极阵列；同一阵列中不同高度的柄允许在组织内进行不同深度的记录。该研究中密度微1600柄/cm2的512大阵列是用1.0、1.5和2.0 mm三种尺寸的可变柄高度构建的，说明了这种制作方法的巨大潜力，这些探针的平均纵横比为50:1。尽管该阵列有很高的密度和灵活性，制造过程仍然实现了高度均匀的探针制作，其中所有的探针垂直角度未超过1°。气溶胶喷射打印过程还允许对尖端形状和轮廓进行简单的CAD设计。由于该打印过程虽基板的选择有很大的灵活性，因此可以使用范围广泛的刚性和柔性基板来构建探针。在柔性Kapton聚合物基板上打印的阵列使高密度定制探针能够用于弯曲或移动组织（如心脏）。还可将导电导线打印到Kapton基板上，以将电信号发送到记录设备。打印使设计和布置实现前所未有的灵活性，为了在传统的方形阵列上增加15%的填充密度，探针可以排列成六边形图案，而在传统阵列中创建六边形阵列图案十分困难。

多种信号多层材料的自定义布线

由于高密度探针阵列的设计，传统的电路布线空间将无法满足，而3D打印提供的灵活性为高密度布线提供了一种新的解决方案。该团队开发了一种多层、多材料的打印方法，实现将电信号布线到适当的记录设备。

图3 高密度探针的电子布线；首先，将导电银层打印在氧化铝基板(L0)上，并在烤箱中烧结。然后使用相同的气溶胶喷射打印方法，在银层的顶部打印一层薄的液体聚酰亚胺聚合物(L2)，将聚酰亚胺加热以促进聚合，形成绝缘层，从而暴露引线的末端，以便后续连接。这个过程可以根据需要重复多次，最终使聚合物层打印在最顶层的金属层，每一层下面隐约可见底层金属层。该团队实现了L1~L5的多层电路板制作，厚度只有4.71 ± 0.15 um，在2 mm × 2 mm的区域内创建了一个100柄的探针，而目前最先进的由光刻和层压制成的双层PCB的印刷层厚度约为100 um。此外，3D打印实现了材料的灵活性，可用于打印3D柄的基底，这是光刻技术所不能提供的。该团队进一步利用了纳米颗粒打印工艺所提供的灵活性，还尝试了将探针直接打印到商用PCB上，从而给生物电极构建提供了额外的灵活性，且用于打印的微定位精度在±1 um内。

电路板打印完成后，下一步是将信号从垫片布线到连接器的引线。气溶胶喷墨打印为布线来自3D打印神经探针的信号方面提供了巨大的灵活性，从而实现一个简单的接口为终端用户使用。

打印阵列的电气和机械性能

在实现了探针直径、位置、长度和路径的灵活性之后，该团队下一步研究的是探针的功能化。

图4 3D打印的功能化；打印过程中的过度喷涂可以通过例如快速等离子体聚焦离子束(PFIB)加工的CAD控制工艺轻松消除。在真空室中使用标准的化学气相沉积工艺，在突出柄上涂抹5 um的生物相容性的二甲苯 C聚合物绝缘层。然后选择性地去除电极尖端的绝缘层，同样使用PFIB，使数百平方微米范围内的可定制区域暴露出来，每个电极产生一个位点。通过在电极杆尖端涂上导电聚合物聚(3,4-亚乙基二氧噻吩（PEDOT）：聚苯乙烯磺酸钠（PSS）来改善电极的界面阻抗。

为了测试其使用性能，该在不同的烧结条件下测量了印制线的电阻率，正如预期的那样，电阻与线长呈线性比例，在几个欧姆的量级上。在尖端涂上PEDOT:PSS涂层后，平均阻抗从270 千欧降至237 千欧。很好地满足了在体高保真记录的要求。

图5 3D打印探针的电子、电化学和机械性能；在不同温度下烧结的印刷金和银器件的电阻率与块体金属的电阻率在一到两个数量级之内。9个装置所有的230个通道在制造后都是电隔离的，在1-kHz频率下的阻抗低于1兆欧。在每种打印制作上，PEDOT：PSS的沉积将阻抗降到约100至250千欧的范围。为了测定急性使用期间重复插入如何影响阻抗，该团队将PEDOT：PSS尖端的柄插入琼脂糖模型脑中数次，测量其对柄阻抗的影响。在插入15次之前，平均阻抗保持在300至800千欧的范围内，此外，每次插入之间的目视检查证实没有柄状物从基底上断裂，证实了该阵列良好的稳定性。

高密度探针顺利插入大脑

该团队接下来测试了探针在组织中的性能。它们将一个10×10的微电极阵列（2600个探针/cm2）的均匀高度的柄插入麻醉小鼠的大脑皮层，除了提供电极的位置外。以往研究中较高空间密度的探针，即使只有该研究中的一半，也经常在软组织中遇到“钉床“效应，即在插入过程中组织被挤压而不是被穿透。

图6 鼠脑中的探针植入；和传统的高密度微电极阵列不同，由于横截面积小，尖端窄，该团队的阵列在基本手术操作下能够成功穿透小鼠大脑，排除了对附属设备的需要，如振动驱动、气动插入锤，大大降低了手术复杂程度。且没有发现会影响探测结果的组织学损害。为了进一步测试该装置的穿透能力极限，该团队制作了另一种密度更高的10 × 10阵列 (6400柄/cm2)并进行重复组织学测试，同样只造成了微小的肉眼损伤，未发现撕裂或其他损伤。

3D打印探针可以在体内以高信噪比捕捉电生理信号

为了测试该3D打印阵列在活体的表现，该团队将探针插入麻醉小鼠的感觉运动皮层中。

图7 鼠脑中记录的动作电位；从记录的电生理信号中能够分离出单个皮质神经元的动作电位波形。在任何给定的通道上，能够识别通常来自1至3个神经元的单个动作电位波形；这一结果与最近开发的其他电极相一致，每个部位大约有1至3个神经元，且实现9.1的高信噪比记录。

这种新的制造技术不仅从应用上实现了较大改进，也大大提升了物流效率。探针的生产时间由以往的几周到如今的几个小时。使用这种方法的探针成本将大幅降低，这为研究人员和临床医师提供了极大方便。这种微电极技术的“民主化“将极大地有利于研究人员和他们的针对性问题。除了电生理记录，微电极还可以用于非生物应用，如通过纹理改变表面疏水性，通过增加表面积和特定传感器设备增加电池中的能量存储。综上所述。这项技术为可实现大规模探针阵列的快速定制，具有灵活的探针布局定义，同时捕获和潜在操纵大皮层、多区域的神经回路的动力学，具有单神经元和单毫秒的分辨率。

参考文献链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj4853

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