这篇论文的研究内容由斯坦福大学的Nicholas A. Melosh及其团队完成，发表在《Advanced Science》期刊上。该研究探讨了一种新型的3D微电极阵列的制造方法，旨在解决传统平面微电极在与三维神经结构接口时所面临的挑战。
随着神经电子学和光遗传学的快速发展，科学家们能够同时记录和刺激数百个神经元的电活动。这一进展为研究运动控制、决策机制以及开发下一代神经假体（如通过解码高密度神经活动来改善语音假体性能）提供了可能。然而，现有的硅基微电子技术虽然在高时空分辨率下能够记录和调节神经活动，但其平面形式在针对三维神经结构时存在显著的局限性。传统的微电极阵列通常是平面的，难以有效地与三维分布的神经元相互作用。为了解决这一问题，研究者们尝试了多种方法，包括将互补金属氧化物半导体（CMOS）电路制造成可以插入神经组织的形状，或在CMOS阵列上生长硅或金属柱作为微电极。然而，这些技术往往缺乏灵活性和可定制性，无法满足不同神经群体的需求。
本研究提出了一种结合高分辨率3D打印（通过双光子聚合）和可扩展微制造技术的新方法，能够直接在平面微电子设备上制造出可穿透组织的3D微电极。这种方法允许研究人员根据需要定制电极的形状、高度和位置，从而精确定位分布在三维空间中的神经元群体。具体而言，研究团队开发了一种6600个微电极、35微米间距的组织穿透阵列，能够实现高保真、高分辨率的大规模视网膜记录。通过共聚焦显微镜，研究人员验证了微电极的精确放置，确保其能够有效地与视网膜神经节细胞（RGC）体相互作用，同时避免激活轴突束层。
在研究过程中，团队使用了Nanoscribe的设备Photonics GT进行2PP（双光子聚合）打印，这种技术允许以亚微米分辨率直接打印微电极结构。Nanoscribe的设备使得研究人员能够在硅基微电子设备上实现高密度、可定制的3D微电极阵列的制造。这一过程结合了2PP的高分辨率和微制造技术的可扩展性，消除了对单个电极进行顺序处理的需求，从而简化了制造流程。研究团队通过这种方法成功地将微电极阵列定制为能够有效地与视网膜中的RGC相互作用，确保微电极的高度和形状能够精确匹配目标神经元的分布。
研究结果表明，所开发的3D微电极阵列在与视网膜的接口中表现出色。通过电生理记录，研究人员能够获得高密度的神经活动数据，揭示了微电极阵列在高时空分辨率下的优越性能。与传统的平面电极阵列相比，穿透式微电极阵列显著减少了轴突干扰，提供了更清晰的神经信号。此外，研究还展示了微电极阵列在不同高度的定制能力，使其能够针对视网膜中不同层次的RGC进行有效记录。这一特性对于实现高分辨率的人工视觉至关重要，因为它能够精确激活RGC，从而重现自然的RGC神经编码。
本研究的成功为未来的神经接口技术提供了新的思路。研究团队认为，这种技术不仅可以应用于视网膜，还可以扩展到其他神经系统的部位，成为高空间分辨率下大规模神经接口的有力工具。未来，研究者们可能会结合电信号和化学信号，实现多模态神经接口，这将为药物筛选和神经疾病研究等领域开辟新的应用前景。此外，随着3D打印技术的不断进步，研究团队希望能够进一步提高微电极的制造效率和精度，以满足更复杂的神经接口需求。
其团队的研究为神经电子学的发展提供了重要的技术基础，展示了3D打印技术在生物电子学中的巨大潜力。随着技术的不断进步，未来的神经接口将更加灵活、高效，为神经科学研究和临床应用带来新的机遇。
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https://doi.org/10.1002/advs.202408602