1. Τεχνικό υπόβαθρο και σημασία
Οι συστοιχίες ηλεκτροδίων μικροβελόνας υψηλής ελαστικότητας μπορούν να διεισδύσουν στα επιφανειακά στρώματα των βιολογικών ιστών, να προσαρμοστούν στην παραμόρφωση που προκαλείται από την κίνηση των ιστών και να επιτύχουν στοχευμένη αίσθηση και ηλεκτρική διέγερση σε ζωντανούς οργανισμούς μέσω μιας ελάχιστα επεμβατικής προσέγγισης. Παρέχουν μια σταθερή βιοηλεκτρονική διεπαφή, βελτιώνουν την ποιότητα της εγγραφής σήματος και μειώνουν τη βλάβη των ιστών, βρίσκοντας έτσι ευρείες εφαρμογές στη νευροεπιστήμη, τη μηχανική ιστών και τη φορητή βιοηλεκτρονική.
Η τρέχουσα τεχνολογία μικροβελόνων έχει σημαντικούς περιορισμούς: η συντριπτική πλειονότητα των μικροβελόνων στερείται ελαστικότητας και είναι δύσκολο να προσαρμόσετε παραμέτρους όπως η κατανομή μήκους και η περιοχή ανίχνευσης των ηλεκτροδίων μικροβελόνας σε επίπεδο μεμονωμένης συσκευής. Οι βασικοί λόγοι έγκεινται στην ασυμβατότητα μεταξύ των διαδικασιών κατασκευής άκαμπτων ηλεκτροδίων μικροβελόνας και ελαστικών εύκαμπτων υλικών, καθώς και στις τεχνικές προκλήσεις στην ενσωμάτωση υλικών και τη διαμόρφωση της τρισδιάστατης (3D) δομής των μικροβελόνων.
2. Δημοσίευση ερευνητικής ομάδας και επιτεύγματος
Η ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον Hangbo Zhao από το Τμήμα Αεροδιαστημικής και Μηχανολόγων Μηχανικών και το Τμήμα Βιοϊατρικής Μηχανικής του Πανεπιστημίου της Νότιας Καλιφόρνια (USC) (με τον Qina Zhao, διδακτορικό φοιτητή στο τμήμα, ως πρώτο συγγραφέα), σε συνεργασία με τις ερευνητικές ομάδες των Rhanor Gillette και Mattia Gazzolapais{0} από το Πανεπιστήμιο Urban. (UIUC), δημοσίευσε ένα άρθρο εξωφύλλου στοΠροόδους της Επιστήμης. Το άρθρο αναφέρει τη σχεδίαση, την κατασκευή και τις εφαρμογές ηλεκτροφυσιολογικής ανίχνευσης ενός νέου τύπου συστοιχίας ηλεκτροδίων με ελαστική μικροβελόνα, η οποία μπορεί να χρησιμεύσει ως αποτελεσματική βιοηλεκτρονική διεπαφή. Για παράδειγμα, έχει χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση ενδομυϊκών ηλεκτρομυογραφικών (EMG) σημάτων από διάφορες μυϊκές ομάδες στην στοματική περιοχή της Aplysia (θαλάσσιοι λαγοί).
Η ερευνητική εστίαση της ομάδας του Zhao πηγάζει από το ενδιαφέρον τους για τους μηχανισμούς κίνησης των μυών των ζώων με μαλακό σώμα, όπως το τέντωμα και το λύγισμα των πλοκαμιών του χταποδιού και η έρπωση και η σίτιση θαλάσσιων γυμνοσάλιαγκων. Η μελέτη του μηχανισμού συντονισμένης δράσης πολλαπλών-μυϊκών ομάδων που κατανέμονται στον τρισδιάστατο χώρο έχει μεγάλη σημασία στους τομείς της βιολογίας, της βιονικής και της ρομποτικής.
3. Βασικές Τεχνολογικές Καινοτομίες
Σύστημα υβριδικής παραγωγής: Μια μοναδική μέθοδος κατασκευής που συνδυάζει τη χάραξη με λέιζερ, τη μικροκατασκευή και την εκτύπωση μεταφοράς υιοθετείται για τη δημιουργία μιας συστοιχίας ηλεκτροδίων μικροβελόνας με μεγάλη ελαστικότητα (με ποσοστό τεντώματος 60%-90%) και μεμονωμένα διευθυνσιοδοτούμενη. Μέσω διεργασιών χαμηλού κόστους και κλιμάκωσης, η μορφολογία, το μήκος, η περιοχή ανίχνευσης, η σύνθετη αντίσταση και η διάταξη των ηλεκτροδίων της μικροβελόνας μπορούν να προσαρμοστούν με ευελιξία.
Ρύθμιση Περιοχής Ανίχνευσης Ηλεκτροδίων: Εφευρέθηκε μια νέα τρισδιάστατη μέθοδος χάραξης υδρογέλης, η οποία επιτρέπει την επιλεκτική χάραξη των μικροβελόνων μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα, διασφαλίζοντας ότι μόνο η περιοχή της κορυφής του ηλεκτροδίου παραμένει αγώγιμη. Με την τεχνολογία υδρογέλης-χημικής χάραξης, η περιοχή ανίχνευσης του ηλεκτροδίου κορυφής μπορεί να ρυθμιστεί με ακρίβεια για μικροβελόνες διαφορετικού μήκους, ανιχνεύοντας έτσι σήματα ιστού σε διαφορετικά βάθη.
Δομική και Υλική Σχεδίαση: Η συστοιχία ηλεκτροδίων μικροβελόνας αποτελείται από ηλεκτρόδια μικροβελόνας πολυιμιδίου και φιοειδή ελαστικά σύρματα σύνδεσης. Αφού επικαλυφθεί με ένα αγώγιμο στρώμα χρυσού, συνδέεται ομοιοπολικά με ένα ελαστομερές σιλικόνης, το οποίο όχι μόνο εξασφαλίζει υψηλή ελαστικότητα αλλά και αποφεύγει προβλήματα αποφλοίωσης κατά τη χρήση.
Σχηματικό διάγραμμα των βημάτων κατασκευής για τεντώσιμες συστοιχίες ηλεκτροδίων μικροβελόνων.
Δοκιμή εκτασιμότητας συστοιχιών ηλεκτροδίων με δυνατότητα τάνυσης μικροβελόνας
4. Πειραματική επαλήθευση και εφέ
Πειραματικό Σενάριο: Στο πείραμα ανίχνευσης ενδομυϊκών σημάτων ΗΜΓ από την στοματική περιοχή της απομονωμένης Aplysia, ηλεκτρόδια μικροβελόνας διαφορετικού μήκους εισήχθησαν σε διαφορετικές μυϊκές ομάδες. Τα ηλεκτρόδια θα μπορούσαν να ακολουθούν την παραμόρφωση των στοματικών μυών και να καταγράφουν σταθερά σήματα ΗΜΓ από κάθε μυϊκή ομάδα.
Σύγκριση απόδοσης: Σε σύγκριση με τα επιφανειακά σήματα ΗΜΓ που καταγράφονται από επίπεδες συστοιχίες ηλεκτροδίων μικροβελόνας, τα ενδομυϊκά σήματα ΗΜΓ που καταγράφονται από αυτό το εκτατό ηλεκτρόδιο μικροβελόνας είναι ισχυρότερα και πιο συγκεκριμένα. Αυτό αποδεικνύει ότι μπορεί να ανιχνεύσει αποτελεσματικά σήματα από βαθιά ενεργούς ιστούς σε ζωντανούς οργανισμούς και μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως εργαλείο για την ηλεκτρική διέγερση των εν τω βάθει ιστών, παρέχοντας υποστήριξη για βιολογική και νευροεπιστήμη έρευνα.
Επαλήθευση βασικών δυνατοτήτων: Το πείραμα αποδεικνύει πλήρως ότι αυτό το ηλεκτρόδιο μικροβελόνας έχει την ικανότητα να χρησιμεύει ως τρισδιάστατη βιοηλεκτρονική διεπαφή, εξισορροπώντας τη δομική ακαμψία και την ευελιξία του υλικού των μικροβελόνων. Η σχετικά υψηλή ακαμψία του επιτρέπει να εισάγεται σταθερά σε βιολογικούς ιστούς, ενώ η υψηλή ελαστικότητα εξασφαλίζει σφιχτή πρόσφυση σε μαλακούς και κινούμενους βιολογικούς ιστούς.
Πραγματοποιήθηκαν in vitro μετρήσεις ενδομυϊκών και επιφανειακών ηλεκτρομυογραφικών σημάτων στους παρειακούς μύες Aplysia με τη χρήση τεντών συστοιχιών ηλεκτροδίων μικροβελόνων και επίπεδων συστοιχιών μικροηλεκτροδίων.
Αυτά τα πειραματικά παραδείγματα καταδεικνύουν την ικανότητα αυτών των ηλεκτροδίων μικροβελόνας να χρησιμεύουν ως τρισδιάστατη βιο-ηλεκτρονική διεπαφή.
5. Προοπτικές Εφαρμογής του Επιτεύγματος
Ως προηγμένη βιοηλεκτρονική διεπαφή, αυτή η συστοιχία ηλεκτροδίων με δυνατότητα τάνυσης μικροβελόνας έχει πιθανή τιμή εφαρμογής σε πολλαπλά πεδία:
Ηλεκτροφυσιολογική ανίχνευση στον τομέα των διεπαφών του εγκεφάλου-υπολογιστή.
Ηλεκτροχημική αίσθηση του ενδιάμεσου υγρού του δέρματος.
Ηλεκτρική διέγερση νευρικών και μυϊκών ιστών.
6. Πρόσβαση στο έγγραφο
Σύνδεσμος για τη σχετική ερευνητική εργασία: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn7202