《Science》：纳米3D打印微电极阵列用于神经电信号检测
研究概述
随着神经科学领域的快速发展，研究人员需要更灵活、更高效的工具来记录大脑中的电生理活动。然而，现有的电生理记录设备存在着定制性不足、覆盖范围有限、脆弱性和成本高昂等问题，限制了其应用范围。针对该问题，卡内基梅隆大学的Rahul P. Panat和Eric A. Yttri教授团队在《Science Advances》上发表了“CMU Array: A 3D nanoprinted, fully customizable high-density microelectrode array platform”。本文提出了一种新型 3D 打印技术，可以制造高密度、可定制的微电极阵列（CMU 阵列）。与传统技术相比，CMU 阵列具有显著优势，例如：高电极密度（每平方厘米 2600 个通道）、可定制性、高机械强度和低噪声。这些优势使得 CMU 阵列能够有效地记录大脑中特定区域的电生理信号，推动神经科学研究和脑机接口技术的发展。
微电极阵列制造对生物3D打印的启发
该研究开发了一种基于 3D 纳米粒子打印的微电极阵列制造技术，通过 Aerosol Jet 打印技术制造出高度可定制的金属电极，并通过多层电路板打印技术实现信号路由。该技术可以实现高密度、高精度和高性能的微电极阵列制造，为神经科学研究和临床应用提供了新的可能性。
该研究的发现也侧面展示了 3D 打印技术在生物医学领域的巨大潜力，为生物 3D 打印技术开辟了新的发展方向。研究结果表明，3D 打印可以实现微电极阵列的高度定制化、高密度和高性能，并具有快速原型制作和低廉成本的优势。此外，3D 打印技术可以与其他生物医学技术相结合，实现多功能集成，推动个性化医疗和多模态信号采集等领域的进步。
主要内容
定制化潜力
3D纳米颗粒打印技术实现了CMU阵列的定制制备，包括可变杆高、高纵横比和灵活基底选择（如柔性聚酰亚胺）。该技术展示了从锥形尖端到复杂图案（如CMU缩写）的打印能力，并可通过六角形排列提升电极面密度。
电极信号传输
3D打印技术为高密度电极阵列提供了创新的后端连接解决方案，通过多层、多材料印刷方法实现了电信号的高效传输。该技术不仅克服了传统引线空间不足的难题，还展现了在飞行中改变电路设计的灵活性，同时允许使用不同材料打印3D支架衬垫，为生物电极的构建带来了前所未有的灵活性。
功能化
3D打印阵列的功能化过程，包括去除飞溅、暴露电极尖端、进行PEDOT:PSS电镀等，证明了CMU阵列具有良好的电学性能和生物相容性。
电学和机械性能
3D打印探针展现了优异的电学、电化学和机械性能，其电阻率接近大块金属，阻抗在高频下显著降低，特别是在PEDOT:PSS涂层后。此外，探针在多次急性插入模拟脑组织后仍保持结构完整性和阻抗稳定性，凸显了3D打印技术的可靠性和耐用性。
大脑插入
3D打印探针成功应用于小鼠大脑插入实验，其高密度阵列插入后未造成显著组织损伤，且在麻醉小鼠中实现了无损插入，验证了探针在神经记录中的安全性和有效性。
神经科学研究
3D打印探针成功记录了小鼠感觉运动皮层的神经动作电位，波形清晰，能够分离出多个神经元的活动。记录结果显示了稳定的神经活动轨迹和高信噪比，验证了探针在神经科学研究中的有效性和可靠性。
总结
这项研究展示了使用 3D 纳米颗粒打印技术制造的新型可定制高密度微电极阵列（MEAs），称为 CMU 阵列。该技术克服了传统 MEAs 在覆盖范围、易碎性和成本方面的局限性，实现了高电极密度（2600 个通道/cm²），并具有优异的信噪比和低通道阻抗。此外，CMU 阵列具有高度的灵活性，允许进行不同的设计，包括不同的个体 shank 长度和布局。该技术为神经科学研究提供了强大的工具，能够进行有针对性的和大规模的脑电图记录，并有望推动脑机接口和神经科学领域的未来发展。
文献原文：10.1126/sciadv.abj4853
文献链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj4853
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