可拉伸微針電極陣列可以穿透生物表層組織，并適應組織的運動形變，以微創的方式對生物體內部進行有針對性的傳感和電刺激。這種技術提供了穩定的生物電子接口，從而提高了記錄信號的質量，減少了組織損傷。在神經科學、組織工程及可穿戴生物電子等領域具有廣泛的應用價值。
然而，目前絕大多數微針都不具有可拉伸性，同時很難對微針電極的各種參數在單個器件層面進行定制化（例如定制化電極的長度分布、檢測區域等）。這主要是因為制造剛性微針電極所采用的工藝與可拉伸柔性材料不相容，同時在微針的三維結構上面臨著材料集成和圖案化方面的挑戰。
據麥姆斯咨詢介紹，美國南加州大學航空與機械系及生物醫學工程系趙航波課題組在Science Advances發表封面文章，報道了一種新型可拉伸微針電極陣列的設計、制造和電生理傳感應用。此可拉伸微針電極陣列可作為生物電子接口。例如，研究人員展示了用該電極陣列檢測海兔頰部各個肌肉群的肌內肌電信號。該論文的第一作者是南加州大學博士生趙其耐，同時參與這項工作的還有伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的Rhanor Gillette和Mattia Gazzola課題組。
對于軟體動物如何利用肌肉來產生運動，比如章魚的觸手如何伸長和彎曲、海蛞蝓如何爬行和進食等，趙航波課題組非常感興趣。對于這些在三維空間內分布的多肌肉群來說，研究它們如何通過協同作用產生動作，對于生物、仿生和機器人領域具有重要意義。
研究中，課題組從軟體動物的肌肉結構和肌肉功能出發，明確了測量三維肌肉群內的肌電信號的要求。同時，他們發明了一種利用水凝膠開展3D刻蝕的新方法，能在幾秒內實現對于微針的選擇性刻蝕，從而讓電極只在針尖區域保持導電狀態。
核心創新點
該研究通過采用獨特的激光刻蝕、微加工和轉印的混合制造方案，制造了高拉伸性（60-90%）、可單獨尋址的微針電極陣列。微針電極的形態、長度、探測區域、阻抗和布局皆可通過低成本可規模化的方法定制。并可通過水凝膠-化學蝕刻，針對不同長度的微針精確調控尖端的電極檢測區域，以探測不同深度的組織信號。
可拉伸微針電極陣列由聚酰亞胺微針電極和蛇形彈性連接線構成，涂覆金導電層，并與硅膠彈性體共價鍵合，實現高拉伸性而不會剝離。
可拉伸微針電極陣列的制造步驟示意圖
可拉伸微針電極陣列的拉伸性測試
該可拉伸微針電極陣列可用于離體海兔頰部的肌內肌電信號檢測。將不同長度的微針電極插入不同的肌肉組，使其跟隨頰部肌肉的變形，記錄不同肌肉組的肌電信號。與平板微電極陣列記錄的表面肌電信號相比，該微針電極記錄的肌內肌電信號較強且有特異性。這說明可拉伸微針電極陣列可以成為檢測或刺激生物體中活動深層組織的有用工具，以促進生物和神經科學的研究。
使用可拉伸微針電極陣列和平板微電極陣列對海兔頰部肌內和表面肌電信號進行離體測量
通過上述實驗案例，展示了該微針電極具備充當3D生物-電子界面的能力。
成果啟示
研究人員提出了一種制造高度可拉伸且可定制的微針電極陣列的方法，并通過采用水凝膠-化學蝕刻實現了對電極檢測區域的方便調控。這些微針具有較高的剛度，能夠穩固地插入生物組織，而高可拉伸性確保了其與柔軟、活動的生物組織的緊密貼合。這使得可拉伸微針電極作為一種生物-電子界面，在腦機接口的電生理傳感，皮膚間質液的電化學傳感以及神經和肌肉的電刺激等方向都有潛在應用。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn7202
