來源：上海交通大學智能感知與生物醫(yī)學微系統(tǒng)實驗室
近日，上海交通大學劉景全教授團隊在可植入微針陣列式腦機接口器件領(lǐng)域取得新進展，相關(guān)成果以“An Efficient MEMS Microelectrode Array with Reliable Interelectrode Insulation Processes for In Vivo Neural Recording”（一種用于在體神經(jīng)記錄的具有可靠電極間絕緣工藝的高效MEMS微電極陣列）為題在國際著名期刊《Small》（IF：13.0）上發(fā)表。
研究背景
隨著腦機接口（BCI）技術(shù)的發(fā)展，以猶他電極為代表的植入式微電極陣列已經(jīng)完成了腦控機械臂、腦控癱瘓上肢和基于神經(jīng)解碼的語音合成等突破性成果，在臨床長期穩(wěn)定性方面展現(xiàn)了不可替代的優(yōu)勢，推動了腦科學研究和神經(jīng)疾病治療的發(fā)展。然而，與密歇根電極、柔性電極等其它植入式電極相比，猶他電極器件結(jié)構(gòu)的發(fā)展近年來處于停滯狀態(tài)。原因之一是其采用熔融玻璃絕緣的工藝較為復雜、成本高且耗時，加之高縱橫比的三維結(jié)構(gòu)，共同限制了其擴展?jié)摿Α榱私鉀Q這一問題，劉景全教授團隊致力于保留猶他電極優(yōu)勢的同時開發(fā)一種新型微電極陣列加工工藝以實現(xiàn)簡化工藝流程、提高生產(chǎn)效率和增加擴展?jié)摿Φ哪康摹?/span>
研究內(nèi)容
圖1 基于陽極鍵合的植入式MEMS微電極陣列制備流程
該研究借助MEMS工藝中的陽極鍵合技術(shù)，分別使用低阻硅片和硼硅酸鹽玻璃片作為導電微針和絕緣基底材料。玻璃基底上加工有TGV通孔用來實現(xiàn)硅針與上位機的電氣連接。陽極鍵合的方式克服了熔融玻璃基底帶來的局限性，使微針之間相對獨立，進而有靈活的空間為多功能的集成提供條件。除此之外，BF33玻璃基底還具備與集成電路兼容的潛力。該微電極陣列為面向皮質(zhì)內(nèi)神經(jīng)記錄提供了一種簡單、有效的加工方案。
圖2 MEMS微電極界面材料表征
該研究團隊借助陣列式結(jié)構(gòu)內(nèi)部腐蝕液補充速率的不同和并列多次切割技術(shù)，通過一步靜態(tài)腐蝕即可形成錐形針尖。選用濺射氧化銥作為界面材料來降低電極阻抗，并通過與小鼠海馬體神經(jīng)元共培養(yǎng)實驗證明其具有良好的生物相容性。通過體外老化實驗證明氧化銥與Parylene C具有良好的穩(wěn)定性且兩種材料之間并沒有明顯的空隙和缺陷，為在體長期穩(wěn)定性應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
圖3 小鼠在體植入實驗
通過小鼠在體植入實驗驗證了陽極鍵合微電極陣列能夠穩(wěn)定記錄神經(jīng)元發(fā)放的spike信號。并且，在15天內(nèi)電極阻抗隨時間的推移呈現(xiàn)增加的趨勢，這與猶他電極植入非人靈長類動物大腦中長期時間（~5年）內(nèi)觀察到的阻抗變化一致。腦切片實驗驗證了電極對細胞的生物相容性，這一結(jié)果與神經(jīng)元共培養(yǎng)的結(jié)論相同。此外，植入電極和未植入電極的小鼠運動軌跡展現(xiàn)了相似的行為模式，證實了植入電極不會影響正常行為活動。綜合實驗結(jié)果表明基于陽極鍵合工藝的微電極陣列具有良好的在體植入和神經(jīng)記錄能力。
該工作面向簡單高效的MEMS微電極陣列加工新方法，在多功能和系統(tǒng)集成的植入式微電極陣列的開發(fā)及其長期穩(wěn)定性測試方面極具潛力。在未來進行臨床驗證之前，需要開發(fā)后端組裝方案，并對其穩(wěn)定性和長期性能進行系統(tǒng)評估，實現(xiàn)高密度微針陣列與集成電路封裝的可靠集成。
研究團隊
上海交通大學電院劉景全教授為通訊作者，博士生徐慶達為第一作者，該工作得到了國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金等項目資助。
劉景全團隊長期致力于可穿戴/可植入柔性電子器件、MEMS腦機接口器件、極端環(huán)境智能微傳感器和微納加工與集成研究，在Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano和Small等著名期刊發(fā)表多項研究成果，并推動其臨床轉(zhuǎn)化。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/smll.202407950
延伸閱讀：
《腦機接口技術(shù)及市場-2024版》
