近日，美國南加州大學趙航波教授和團隊，造出一種新型微針電極陣列，其兼具高拉伸性、可定制和可單獨尋址的特點。相關論文被選為 Science Advances 的封面論文。
圖 | 當期論文封面（來源：Science Advances）
據介紹，這款微針電極陣列具有 60%-90% 的拉伸性，遠超已有的同類器件。
同時，它的形态、長度、探測區域、阻抗和布局，都可以通過低成本、可規模化的方法實作定制。
（來源：Science Advances）
研究中，課題組采用雷射刻蝕技術、微加工技術和轉印技術，提出一種混合制造方案，借此造出了這款微針電極陣列。
對于這種混合制造方案來說，它是一種能與已有微機電技術相容的可拉伸微針制造技術。
與傳統的微針陣列制造技術相比，本次方法更加簡單、也更加高效。
一直以來，将微針在三維空間進行選擇性刻蝕，是微針制造中的一個重大挑戰。
而本次工作通過凝膠輔助金屬蝕刻的方法，巧妙解決了上述難題。
作為一種可拉伸的穿透電極陣列，預計本次微針電極陣列會成為一款實用型三維生物界面平台。
為了展示本次成果的應用前景，該團隊将微針電極陣列，用于海蛞蝓肌内肌電信号的測量。
期間，他們将同一個微針陣列中的不同長度的微針電極，插入不同位置和不同深度的肌肉群，借此測量出不同肌肉組在海蛞蝓運動過程中的肌電信号。
雖然這隻是在軟體動物海蛞蝓肌肉中的一次應用，但是它預式着這種可拉伸微針電極陣列，能被打造成一種生物-電子界面，進而成為檢測生物體活動深層組織的有效工具。
尤其是對于柔軟、可變形的生物組織來說，由這種微針電極陣列打造的三維生物-電子界面，能夠確定電極與活動中的生物組織的緊密貼合。
進而能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上産生潛在應用。
圖 | 趙航波（來源：趙航波）
海洋軟體動物啟發一篇頂刊封面論文
據介紹，海洋裡的軟體動物，是本次研究的“起點”。
對于軟體動物如何利用肌肉來産生運動，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，課題組非常感興趣。
不少軟體動物擁有十分特别的肌肉結構。比如，章魚的觸手包含着縱向、橫向和環向的肌肉，海蛞蝓的口腔頰部肌肉包含多層不同的肌肉纖維。
對于這些在三維空間内分布的多肌肉群來說，研究它們如何通過協同作用産生動作，對于生物、仿生和機器人領域具有重要意義。
而測量這些肌肉群所産生的肌電信号，能為解答上述問題提供實驗資料。
通過這些實驗資料，可以獲悉哪些肌肉群先收縮、哪些肌肉群後收縮，以及能産生何種運動。
但是，該團隊發現從這些軟體動物的小肌肉組織裡，很難針對單個肌肉群開展測量。
原因在于：這些肌肉群分布在厘米甚至毫米尺度的三維空間裡。同時，肌肉群在不斷經曆大幅度的變形。
是以，隻有可單獨尋址的微小電極，才能成為理想的測量工具。
它們能通過刺穿肌肉組織進而到達特定區域，進而測量局部的肌電信号。
同時，對于軟體動物的正常活動所産生的影響也能控制到最小。
目前，微針電極陣列已在很多領域得到應用。比如，商業化的微針神經探針已被用于腦機接口，亦有商業化的皮下微針貼片已被用于肌電傳感和電化學傳感。
（來源：Science Advances）
經過一番文獻調研，該團隊發現已有的微針電極陣列往往存在以下缺陷：
其一，絕大多數微針電極陣列不可拉伸，少數微針電極陣列具有拉伸性，但是性能十分有限，同時不具備單獨尋址的能力。
其二，此前很難造出可定制化的微針電極陣列，比如讓一個陣列包含不同長度的微針，進而能夠測量不同深度的組織。
其三，無法便捷、精确地控制微針電極陣列的暴露區域，進而實作局部的信号采集，面對不同尺寸的微針電極陣列更是難以實作。
其四，制造技術繁瑣，導緻很難規模化。
之是以存在上述缺陷，主要是因為制造剛性微針電極陣列所采用的工藝，與可拉伸柔性材料并不相容。
同時，對于微針的三維結構來說，它面臨着材料內建和圖案化方面的挑戰。
基于此，該團隊希望開發一種新型的微針電極陣列，并能解決以上缺陷。
（來源：Science Advances）
打造三維生物-電子界面
研究中，課題組從軟體動物的肌肉結構和肌肉功能出發，明确了測量三維肌肉群内的肌電信号的要求。
同時，他們發明了一種利用水凝膠開展三維刻蝕的新方法，能在幾秒内實作對于微針的選擇性刻蝕，進而讓電極隻在針尖區域保持導電狀态。
這種方案不僅能滿足測量三維肌電信号的所有要求，同時具有低成本、高拉伸性、可規模化等優點。
趙航波表示：“這對于實作局部傳感十分有必要。是以已有方法要麼無法實作對于不同尺寸電極的檢測區域控制，要麼制造技術十分繁瑣緩慢。”
（來源：Science Advances）
而在此之後，他們和美國伊利諾伊大學香槟分校的合作者，一起在海蛞蝓上測試微針電極。
通過合作，他們首次測量出海蛞蝓在運動中的多個肌肉群的肌電信号時序圖譜，借此解釋了肌肉群的協同合作原理。
通過上述實驗案例，展示了本次微針電極具備充當三維生物-電子界面的能力。
盡管他們從海蛞蝓離體組織上順利測量到信号，但是在動物實驗過程中，課題組經常遇到各種意想不到的困難。
比如，微針電極群組織的貼合、微針在組織内的成像定位等，都是他們曾遇到的難題。
“論文第一作者、課題組的博士生趙其耐在這個看似簡單的動物實驗上耗費了很多心血，很多次都是親自去伊利諾伊大學與合作者共同做實驗。”趙航波表示。
最終，相關論文以《用于肌内肌電圖的高度可拉伸和可定制的微針電極陣列》（Highly stretchable and customizable microneedle electrode arrays for intramuscular electromyography）為題發在 Science Advances[1]。
趙其耐是第一作者，趙航波擔任通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Science Advances）
目前，他們正在研究微針電極陣列在醫療領域的應用。
同時，他們還在探索如何将微針電極陣列與傳感器、光學、光電子學和微流體學等結合，以用于光導輔助光學治療、光遺傳學和靶向藥物輸送等。
參考資料：
1.Zhao, Q., Gribkova, E., Shen, Y., Cui, J., Naughton, N., Liu, L., ... & Zhao, H. (2024). Highly stretchable and customizable microneedle electrode arrays for intramuscular electromyography.Science Advances, 10(18), eadn7202.
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