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神经记录技术为神经活动提供了有价值的见解，可以帮助开发针对涉及大脑、脊髓和其他神经系统的各种疾病的治疗方法。然而，刚性电子设备和生物神经组织之间的材料性能不匹配可能导致生物相容性（炎症）和稳定性（接触脱位）方面的问题。基于此，美国宾夕法尼亚州立大学Tao Zhou、Sulin Zhang提出了一种可3D打印、灵活、可伸缩的电子设备，具有多孔、组织样结构，用于神经记录。这种多孔结构具有灵活性、可拉伸性和化学渗透性，使其能够与大脑和脊髓整合。与传统的金属或硅装置相比，该原型装置显示出更低的阻抗，提高了它们在大脑和脊髓的细胞水平上捕获神经活动的精度。该设计为今后在脑机接口、神经调节和神经修复等方面的研究奠定了基础。

相关研究内容以“3D-printed flexible neural probes for recordings at single-neuron level”为题于2024年8月27日发表在《Device》。

图1 3D打印柔性可伸缩多孔（FSP）装置原理图及工艺设计

FSP装置的总体设计包括三个主要组件：接口、互连和输入/输出（I/O）单元。为了突出设计的多功能性，本研究为大脑和脊髓设计了两个不同的版本（图1A）。图1B、C显示了针对大脑的FSP设备的打印过程，脊髓FSP装置的打印过程程序相同。所得到的多通道FSP神经探针如图1D、E所示。

图2 FSP装置的电特性分析

FSP装置在频率为1到100000 Hz时，阻抗小于20 kΩ（图2A）。直接比较FSP装置和铂（Pt）装置在1 kHz时的阻抗（与单元神经记录最相关），发现FSP装置的阻抗值（图2B）和相位角（图2C）要低得多。为了研究FSP电子装置的电化学性质，本研究对FSP电子装置和Pt装置进行循环伏安法（CV）表征（图2D）。FSP电子器件的充电存储容量（CSC）约为90 mC/cm2，比Pt装置高出100倍以上（图2E）。如图2F所示，FSP装置的电荷注入能力（CIC）约为3 mC/cm2，远高于Pt装置。综上，经过对两个电极的比较评估，证明FSP探针具有适当的神经记录的电特性。

图3 FSP装置的机械学和形态学优势

本研究所制备的FSP装置具有柔性和可拉伸性。如图3A所示，由于多孔结构和材料（PEDOT：PSS-聚氨酯和PDMS），FSP器件可以手工拉伸而不压裂。FSP装置的弯曲刚度与脑组织接近，比传统的植入式脑探针要小几个数量级（图3B）。为了研究探针的微运动是如何变形并损伤神经组织，本研究在有限元模拟中建立了一个探针-组织界面系统；在探针顶部应用循环位移来模拟沿深度和横向方向的微运动（图3C）。根据最大主应变分布，在四种探针中，FSP装置对周围神经组织的应变最小（图3D）。在脑组织中，接近探针尖端的归一化最大主应变显示，多孔金属装置、无孔PDMS装置和硅装置-组织系统的变形是FSP装置的2-20倍（图3E）。图3F、G展示了FSP探针中多孔结构在扩散过程中的重要性。以上结果表明，FSP装置作为一种植入式神经探针，在最小化对神经系统自然化学环境的干扰方面具有良好的形态学优势。

图4 小鼠大脑和脊髓神经元的体内电生理记录

图4显示了植入FSP装置的大脑和脊髓信号记录。本研究使用穿梭辅助方法，成功地将这些装置植入小鼠模型的大脑和脊髓中。所有植入的FSP装置通道都能够从小鼠的大脑（图4B）和脊髓（图4D）中记录下来。记录痕迹的尖峰分类显示，植入装置的每个通道都能够记录来自大脑（图4E）和脊髓（图4F）中单个神经元的单个尖峰。

全文小结

综上，本研究开发了一种可3D打印的神经设备，它具有组织样的特性、灵活性、可拉伸性和独特的多孔结构。与传统神经探针相比，FSP装置的材料和设计提供了一种经济有效的方式来生产定制的神经设备，特别是对中枢神经系统。该多孔结构降低所制备神经探针的弯曲刚度，从而增强与周围神经组织的相容性。开放的多孔结构促进植入后神经递质和其他神经化学物质的交换。与现有技术相比，这一特性可以在更自然、生理相关的环境中测量神经信号。本研究中的柔性、多孔装置的适应性和可定制性为开发多模块设备提供了潜力。

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