电极制作新工艺——在柔性基底上直接用激光写入三维电极

研究背景

在动物研究和人类临床设备中，高密度的神经记录需要新的技术。虽然近年来出现了几种有前途的电极技术，但具有最大影响的设备必须有效地制造。通常情况下，这意味着通过为集成电路行业开发的薄膜工艺在洁净室中制造的设备。虽然洁净室制造方法提供了所需的微型化和可扩展性，但薄膜设备从本质上讲是平面的。然而，新的研究报告称，有可能将薄膜电极折叠起来用于体外的三维记录。大多数三维(3D)电极结构，如“钉床“设计中的微线阵列，在历史上都是由手工组装的。Utah 阵列是目前最广泛使用的三维电极阵列。这种阵列的制造包括机械性的硅切割或切割。这个步骤需要坚固的支撑而且切割工具限制了电极之间的最小间距。因此，Utah阵列太大，不能用于小动物，如小鼠和鸣禽，而且由于异物组织反应，其相对较大的柄也限制了慢性性能。Plexon N-Form(3D)阵列有类似的物理尺寸限制，禁止在小动物、神经或视网膜上的许多应用。

三维打印电极为目前的电极设计提供了一个新的选择。卡内基梅隆大学最近开发的设备展示了使用气溶胶喷射保形打印方法的 3D 打印钉床电极的概念。虽然具有突破性，但这些设备受限于气溶胶喷射过程中的低分辨率 (10 μm)。

研究成果

俄勒冈大学Timothy J. Gardner教授等人在本工作描述了一个集成在薄膜柔性电缆上的三维微电极阵列，用于小动物的神经记录。该制造过程结合了传统的硅薄膜加工技术和通过双光子光刻技术以微米级分辨率直接激光写入三维结构。三维打印电极的直接激光写入以前已经被描述过，但本工作是第一次提供一种生产高纵横比结构的方法。一个原型是一个间距为300 微米的16 通道阵列，展示了从鸟类和小鼠大脑中成功捕获电生理信号。其他设备包括90 μm间距的阵列、可穿透鸟类硬脑膜的仿生蚊子针，以及具有增强表面积的多孔电极。这里描述的快速3D 打印和晶圆规模的方法将使有效的设备制造和研究电极几何形状和电极性能之间的关系的新研究成为可能。应用包括小动物模型、神经接口、视网膜植入物和其他需要紧凑、高密度的三维电极的设备。相关研究以“Direct laser writing of 3D electrodes on flexible substrates”为题发表在Nature Communications期刊上。

图文导读

Fig. 1 | 16-channel electrode array.

Fig. 2 | Fabrication process.

Fig. 3 | Fabrication of a 16-channel electrode for neural recording.

Fig. 4 | Recording surface and impedance.

Fig. 5 | Neural recordings in diverse species.

Fig. 6 | Biomimetic electrodes.

Fig. 7 | Fabrication process for Si supported devices.

Fig. 8 | Stimulating electrodes.

总结与展望

这项工作描述了一个使用双光子光刻和薄膜制造工艺制造的三维电极阵列。目标是为一种新的电极创造一种制造工艺，其形式因素适合于小动物的慢性记录。虽然十多年前就有报道说通过双光子光刻技术在硅上制造多电极阵列，但其制造步骤利用了纳米压印或近似掩膜光刻技术，将三维结构限制在几微米的最大高度。此外，以前的设备都是在刚性的玻璃或硅衬底上制造的。在这里，作者报告了一种制造工艺，产生了高长宽比的设备 (>10:1)，集成在柔性聚酷亚胺或对二甲苯C薄膜上，其形式适合长期植入的设备。这里描述的3D 打印工艺可以适应各种设计，允许沿电极阵列创建不同的高度轮廓和不同的电极形状——完全可定制的电极阵列，符合大脑的特定解剖特征。

文献链接

Direct laser writing of 3D electrodes on flexible substrates

https://doi.org/10.1038/s41467-023-39152-7

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