双光子灰度光刻技术推进神经微探针研究进程

2024-06-20148

澳大利亚迪肯大学的Abbas Z. Kouzani课题组在Biomedical Microdevices上发表了论文，设计了一种自硬化柔顺的皮层内微探针，旨在解决传统神经微探针在植入和使用过程中面临的挑战。

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神经微探针在脑功能、脑疾病和脑机接口研究中发挥着重要作用。为了实现高精度的脑记录和刺激，皮层内微探针需要植入大脑深处。然而，由于神经组织和植入的固定微探针之间的弹性模量差异较大，由生理和行为运动引起的大脑微运动会在手术过程中损伤周围的神经组织。这种组织损伤会激活大脑的免疫系统，进而影响微探针的功能，并可能在数周或数月内导致其隔离和失效。

为了解决上述问题，研究人员尝试使用弹性模量接近大脑的柔性微探针。然而，柔性微探针在插入过程中容易弯曲，导致插入失败。为了解决这个问题，目前大多数研究集中在使用插入梭或生物可溶性涂层来临时硬化柔性皮层内微探针。然而，这些方法存在一些问题，例如无法调整微探针与脑脊液接触后的溶解时间，以及在过早失去硬度后无法恢复硬度，这可能影响定位精度。

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本文提出的自硬化柔顺皮层内微探针旨在克服现有方法的缺点。该微探针包含两个可压缩结构，使其在手术过程中适应大脑，在插入过程中保持硬度。通过插入器施加的压缩力可以完全压缩这两个可压缩结构，从而增加等效弹性模量。因此，可以在硬和软模式之间进行即时切换，以确保高精度定位，同时很大限度地减少组织损伤。

与现有的设计相比，本文提出的微探针具有以下创新点：双可压缩结构，通过增加第二个可压缩结构，微探针在手术过程中的等效弹性模量降低，从而减少了大脑纵向运动下产生的应变；自硬化机制，利用插入器施加的轴向压缩力，微探针可以在软硬模式之间进行即时切换，从而在插入过程中保持硬度，在手术过程中保持柔顺性；采用双光子聚合技术（2PP）和生物相容性树脂IP-S，通过 Nanoscribe Photonic Professional GT2 3D打印机制造微探针，实现了高分辨率和光滑表面的制造，使其适用于与生物组织相互作用的应用。

本文提出的自硬化柔顺皮层内微探针通过模拟和实验验证了其在插入和操作过程中的性能。结果表明，该微探针具有高抗弯曲性，并且在手术过程中对周围神经组织的损伤较小。这项研究为开发更安全、更有效的皮层内微探针提供了新的思路。

值得一提的是，由于缺乏动物模型，本研究未能提供体内测试结果来验证微探针在操作过程中的性能，这可能会对研究结果的可靠性产生一定影响。

本文的工作通过Nanoscribe双光子聚合原理微纳3D打印完成，全新双光子灰度光刻技术将微纳增材制造和超高速体素大小调节结合在一起：双光子灰度光刻(2GL)是一种全新的具有超高速、超精确的可以满足自由形态的微加工技术，同时又不影响速度和精度。

Nanoscribe 3D微纳加工系统海具备A2PL®对准双光子光刻技术，可实现在光纤和光子芯片上的纳米级精确对准。3D printing by 2GL®在实现优异的打印质量同时兼顾打印速度，适用于微光学制造和光子封装领域。