植入式生物電子學為實時和連續監測生物體的生理信號提供了前所未有的機會。大多數生物電子學采用薄膜基板，如聚酰亞胺和聚二甲基硅氧烷，這些基板具有高度的柔韌性和可拉伸性。然而，這些薄膜的低滲透性和相對較高的模量阻礙了長期的生物相容性。相比之下，在多孔基板上制造的器件具有高磁導率的優點，但圖案密度低?；诖?，香港理工大學Zijian Zheng和香港城市大學Xinge Yu課題組提出了一種晶圓尺度的高分辨率制造策略，用于超軟，可拉伸和高透氣性的液態金屬微電極(μLMEs)。通過光刻技術在4英寸彈性纖維氈上展示了2μm的圖案化能力，或高達~75,500個電極/cm2的超高密度μLME陣列。植入μLME陣列作為神經接口，對活體大鼠的皮質電圖信號進行高時空定位和干預。植入的μLMEs具有8個月以上的長期生物相容性。


研究成果以題為“Wafer-patterned,permeable,and stretchable liquid metal microelectrodes for implantable bioelectronics with chronic biocompatibility”的發表在最新一期的《Science Advances》上


研究內容


磁導率和μLME的制備


圖1A顯示了晶圓級μLME的制造過程示意圖，該過程包括四個主要步驟：（i）在SiO上對Ag進行光刻2用一層薄薄的水溶性葡聚糖預改性晶圓;（ii）將纖維聚（苯乙烯嵌段-丁二烯-嵌段-苯乙烯）（SBS）氈靜電紡絲到Ag微圖案上;（iii）葡聚糖層的溶解和銀微圖案從SiO轉移2將晶圓鋪在SBS光纖氈上;（iv）在Ag覆蓋區域選擇性潤濕LM以產生μLME。

圖1：可拉伸和可滲透的液態金屬微電極（μLMEs）的制備過程。

圖2：μLMEs結構示意圖。


μLME的滲透性、生物相容性、電導性和拉伸性


由于纖維氈的高孔隙率，μLME對空氣、水分和液體具有出色的滲透性。圖3A顯示了有色液體從μLME的上側到底部的漸變滲透，顯示出出色的液體滲透性。μLMEs在330μm厚的SBS纖維氈上的透氣性和透濕性分別為78 mm/s和835 g/m2每天（圖3、B和C）。這些值與先前使用相似厚度的測試材料和測試方法的文獻報道相似。相比之下，Ecoflex和PDMS薄膜的透氣性幾乎為零。它們的透濕性低于50 g/m2每天。此外，通過減小SBS厚度可以進一步提高μLMEs的滲透性。厚度為25μm時，透氣性和透濕性分別達到235 mm/s和990 g/m2每天。此外，μLMEs在體外研究中通過使用L-929細胞作為模型細胞具有低細胞毒性。此外，在觀察期間對兔子皮膚進行的體內動物實驗表明沒有明顯的刺激（即皮膚上沒有紅斑和水腫）。

圖3：μLMEs的滲透性、導電性和拉伸性表征。


基于μLME的植入式生物電子學，用于具有慢性生物相容性的神經接口


由于具有超柔軟性、生物相容性、可拉伸性和高時空分辨率等特性，μLME適用于高器件密度和慢性舒適性至關重要的植入式生物電子學。作為概念驗證，我們制造了一個可植入的μLME陣列，用于記錄來自柔軟、彎曲和復雜的神經接口的ECoG信號。用μLME陣列覆蓋由運動，軀體感覺，視覺和脾后皮質組成的大鼠的主要皮質亞域（圖4A）。μLME陣列具有圓電極單元直徑?。?00μm）、精細互連（40μm）和100個電極/cm的高通道密度2（圖S20）。由于與腦組織的機械順應性相似（圖S21），μLME（厚度，25μm）與皮質表面共形附著，與報道的ECoG器件電極材料（例如，Au/PI，Au/parylene，和硅）。

圖4：基于高密度μLMEs的神經電生理界面生物電子學表征。

圖5：μLMEs用于慢性神經植入物的慢性(長期)生物相容性表征。


結論與展望


多孔和可拉伸基材（如靜電紡絲纖維氈）具有出色的滲透性、柔軟性和生物相容性，這些都是生物電子應用的關鍵屬性。然而，與目前主要選擇的平面基板（如薄膜塑料或彈性體）不同，在粗糙的多孔基板上圖案化高分辨率電極一直是一項具有挑戰性的任務。圖案化工藝主要通過絲網印刷和噴墨印刷或陰影遮罩方法等印刷方法進行。因此，圖案化分辨率被限制在50至10,000μm，因此器件密度非常低。


在大尺寸、可滲透和可拉伸的纖維氈上成功制備μLMEs，為高密度、集成、可植入和長期生物相容的LM電子器件鋪平了道路。目前，μLMEs通過配備實驗室的光刻技術顯示出2μm的典型圖案化分辨率，透濕率為990 g/m2每天，設備密度超過75,000個電極/厘米2，電導率約為105S/cm，拉伸性高達1500%的應變。原則上，μLME的圖案化分辨率可以進一步提高到亞微米（0.25至1μm）區域，例如，通過使用高分辨率光刻工具和較小纖維直徑的纖維氈。