研究概述
隨著神經科學領域的快速發展，研究人員需要更靈活、更高效的工具來記錄大腦中的電生理活動。然而，現有的電生理記錄設備存在著定制性不足、覆蓋范圍有限、脆弱性和成本高昂等問題，限制了其應用范圍。針對該問題，卡內基梅隆大學的Rahul P. Panat和Eric A. Yttri教授團隊在《Science Advances》期刊上發表了“CMU Array: A 3D nanoprinted, fully customizable high-density microelectrode array platform”。本文提出了一種新型3D打印技術，可以制造高密度、可定制的微電極陣列（CMU陣列）。與傳統技術相比，CMU陣列具有顯著優勢，例如：高電極密度（每平方厘米2600個通道）、可定制性、高機械強度和低噪聲。這些優勢使得CMU陣列能夠有效地記錄大腦中特定區域的電生理信號，推動神經科學研究和腦機接口技術的發展。
微電極陣列制造對生物3D打印的啟發
該研究開發了一種基于3D納米粒子打印的微電極陣列制造技術，通過Aerosol Jet打印技術制造出高度可定制的金屬電極，并通過多層電路板打印技術實現信號路由。該技術可以實現高密度、高精度和高性能的微電極陣列制造，為神經科學研究和臨床應用提供了新的可能性。
該研究的發現也側面展示了3D打印技術在生物醫學領域的巨大潛力，為生物3D打印技術開辟了新的發展方向。研究結果表明，3D打印可以實現微電極陣列的高度定制化、高密度和高性能，并具有快速原型制作和低廉成本的優勢。此外，3D打印技術可以與其他生物醫學技術相結合，實現多功能集成，推動個性化醫療和多模態信號采集等領域的進步。
主要內容
定制化潛力
3D納米顆粒打印技術實現了CMU陣列的定制制備，包括可變桿高、高縱橫比和靈活基底選擇（如柔性聚酰亞胺）。該技術展示了從錐形尖端到復雜圖案（如CMU縮寫）的打印能力，并可通過六角形排列提升電極面密度。
電極信號傳輸
3D打印技術為高密度電極陣列提供了創新的后端連接解決方案，通過多層、多材料印刷方法實現了電信號的高效傳輸。該技術不僅克服了傳統引線空間不足的難題，還展現了在飛行中改變電路設計的靈活性，同時允許使用不同材料打印3D支架襯墊，為生物電極的構建帶來了前所未有的靈活性。
功能化
3D打印陣列的功能化過程，包括去除飛濺、暴露電極尖端、進行PEDOT:PSS電鍍等，證明了CMU陣列具有良好的電學性能和生物相容性。
電學和機械性能
3D打印探針展現了優異的電學、電化學和機械性能，其電阻率接近大塊金屬，阻抗在高頻下顯著降低，特別是在PEDOT:PSS涂層后。此外，探針在多次急性插入模擬腦組織后仍保持結構完整性和阻抗穩定性，凸顯了3D打印技術的可靠性和耐用性。
大腦插入
3D打印探針成功應用于小鼠大腦插入實驗，其高密度陣列插入后未造成顯著組織損傷，且在麻醉小鼠中實現了無損插入，驗證了探針在神經記錄中的安全性和有效性。
神經科學研究
3D打印探針成功記錄了小鼠感覺運動皮層的神經動作電位，波形清晰，能夠分離出多個神經元的活動。記錄結果顯示了穩定的神經活動軌跡和高信噪比，驗證了探針在神經科學研究中的有效性和可靠性。
總結
這項研究展示了使用3D納米顆粒打印技術制造的新型可定制高密度微電極陣列（MEAs），稱為CMU陣列。該技術克服了傳統MEAs在覆蓋范圍、易碎性和成本方面的局限性，實現了高電極密度（2600個通道/cm2），并具有優異的信噪比和低通道阻抗。此外，CMU陣列具有高度的靈活性，允許進行不同的設計，包括不同的個體shank長度和布局。該技術為神經科學研究提供了強大的工具，能夠進行有針對性的和大規模的腦電圖記錄，并有望推動腦機接口和神經科學領域的未來發展。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abj4853
