植入式生物电子学为实时和连续监测生物体的生理信号提供了前所未有的机会。大多数生物电子学采用薄膜基板，如聚酰亚胺和聚二甲基硅氧烷，这些基板具有高度的柔韧性和可拉伸性。然而，这些薄膜的低渗透性和相对较高的模量阻碍了长期的生物相容性。相比之下，在多孔基板上制造的器件具有高磁导率的优点，但图案密度低。基于此，香港理工大学Zijian Zheng和香港城市大学Xinge Yu课题组提出了一种晶圆尺度的高分辨率制造策略，用于超软，可拉伸和高透气性的液态金属微电极(μLMEs)。通过光刻技术在4英寸弹性纤维毡上展示了2μm的图案化能力，或高达~75,500个电极/cm2的超高密度μLME阵列。植入μLME阵列作为神经接口，对活体大鼠的皮质电图信号进行高时空定位和干预。植入的μLMEs具有8个月以上的长期生物相容性。


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


研究内容


磁导率和μLME的制备


图1A显示了晶圆级μLME的制造过程示意图，该过程包括四个主要步骤：（i）在SiO上对Ag进行光刻2用一层薄薄的水溶性葡聚糖预改性晶圆;（ii）将纤维聚（苯乙烯嵌段-丁二烯-嵌段-苯乙烯）（SBS）毡静电纺丝到Ag微图案上;（iii）葡聚糖层的溶解和银微图案从SiO转移2将晶圆铺在SBS光纤毡上;（iv）在Ag覆盖区域选择性润湿LM以产生μLME。

图1：可拉伸和可渗透的液态金属微电极（μLMEs）的制备过程。

图2：μLMEs结构示意图。


μLME的渗透性、生物相容性、电导性和拉伸性


由于纤维毡的高孔隙率，μLME对空气、水分和液体具有出色的渗透性。图3A显示了有色液体从μLME的上侧到底部的渐变渗透，显示出出色的液体渗透性。μLMEs在330μm厚的SBS纤维毡上的透气性和透湿性分别为78 mm/s和835 g/m2每天（图3、B和C）。这些值与先前使用相似厚度的测试材料和测试方法的文献报道相似。相比之下，Ecoflex和PDMS薄膜的透气性几乎为零。它们的透湿性低于50 g/m2每天。此外，通过减小SBS厚度可以进一步提高μLMEs的渗透性。厚度为25μm时，透气性和透湿性分别达到235 mm/s和990 g/m2每天。此外，μLMEs在体外研究中通过使用L-929细胞作为模型细胞具有低细胞毒性。此外，在观察期间对兔子皮肤进行的体内动物实验表明没有明显的刺激（即皮肤上没有红斑和水肿）。

图3：μLMEs的渗透性、导电性和拉伸性表征。


基于μLME的植入式生物电子学，用于具有慢性生物相容性的神经接口


由于具有超柔软性、生物相容性、可拉伸性和高时空分辨率等特性，μLME适用于高器件密度和慢性舒适性至关重要的植入式生物电子学。作为概念验证，我们制造了一个可植入的μLME阵列，用于记录来自柔软、弯曲和复杂的神经接口的ECoG信号。用μLME阵列覆盖由运动，躯体感觉，视觉和脾后皮质组成的大鼠的主要皮质亚域（图4A）。μLME阵列具有圆电极单元直径小（500μm）、精细互连（40μm）和100个电极/cm的高通道密度2（图S20）。由于与脑组织的机械顺应性相似（图S21），μLME（厚度，25μm）与皮质表面共形附着，与报道的ECoG器件电极材料（例如，Au/PI，Au/parylene，和硅）。

图4：基于高密度μLMEs的神经电生理界面生物电子学表征。

图5：μLMEs用于慢性神经植入物的慢性(长期)生物相容性表征。


结论与展望


多孔和可拉伸基材（如静电纺丝纤维毡）具有出色的渗透性、柔软性和生物相容性，这些都是生物电子应用的关键属性。然而，与目前主要选择的平面基板（如薄膜塑料或弹性体）不同，在粗糙的多孔基板上图案化高分辨率电极一直是一项具有挑战性的任务。图案化工艺主要通过丝网印刷和喷墨印刷或阴影遮罩方法等印刷方法进行。因此，图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、可渗透和可拉伸的纤维毡上成功制备μLMEs，为高密度、集成、可植入和长期生物相容的LM电子器件铺平了道路。目前，μLMEs通过配备实验室的光刻技术显示出2μm的典型图案化分辨率，透湿率为990 g/m2每天，设备密度超过75,000个电极/厘米2，电导率约为105S/cm，拉伸性高达1500%的应变。原则上，μLME的图案化分辨率可以进一步提高到亚微米（0.25至1μm）区域，例如，通过使用高分辨率光刻工具和较小纤维直径的纤维毡。