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本文由瑞士日内瓦洛桑联邦理工学院 (ePFl) 神经 X 研究所软生物电子接口实验室的科研人员10月16日在线发表于Science Advances杂志。原文衔接请点击文章最后的阅读原文。
e-Flower：用于脑球体电生理学的水凝胶驱动3D微电极阵列
文章创新点
通过水凝胶驱动的 3D 配置：e-Flower 使用聚丙烯酸 (PAA) 水凝胶，当暴露于细胞培养基时会膨胀，使 MEA 从 2D 平面形状转变为包裹球体的 3D 形状。这种驱动不需要复杂的外部系统或有害溶剂，使系统更容易接近，对组织更安全。
全表面神经记录：e-Flower 允许在整个脑球体表面进行电生理记录，提供全面的神经信号检测。这解决了平面 MEA 无法捕捉此类组织的 3D 电生理活动的局限性。
易用性和兼容性：e-Flower 设计为即插即用，与标准电生理记录系统兼容，并且不需要组织切片或侵入性探针。与其他需要定制接线或复杂执行器的 3D MEA 系统相比，这使其对组织完整性的破坏较小且用户友好。
这些特点使 e-Flower 有别于以前的系统，例如扣式、圆柱形或基于剪纸的 MEA，这些系统要么使用复杂，需要外部执行器，要么不适合预制组织。
文章解析
背景：三维 (3D) 神经组织（例如类器官和球体）越来越多地用于模拟脑功能和神经系统疾病。这些组织表现出自发的神经活动，为大脑发育和损伤提供了宝贵的见解。然而，用于测量这种活动的传统微电极阵列 (MEA) 仅限于二维 (2D) 设计，无法捕捉 3D 神经结构的全部复杂性。现有的 3D MEA 技术通常需要复杂的外部驱动系统或侵入性组织处理，从而限制了它们的实用性和可用性。为了解决这个问题，作者介绍了 e-Flower，这是一种新型 3D MEA，旨在从脑球体全面记录神经信号。该设备利用水凝胶的膨胀特性，将 MEA 驱动为 3D 形状，自然地包裹球体并实现非侵入性全表面神经记录。
技术方法：
e-Flower 的设计：e-Flower 由花形聚酰亚胺 (PI) 薄膜组成，该薄膜分为四个扁平花瓣，每个花瓣上都装有铂微电极。花瓣背面涂有聚丙烯酸 (PAA) 水凝胶。当浸入细胞培养基中时，水凝胶会膨胀，导致花瓣弯曲并包裹球体。这种 2D 到 3D 的重新配置使电极和球体表面能够紧密接触。
制造：该设备使用传统的薄膜微加工技术集成了电极和水凝胶加工。电极是在 PI 薄膜上制造的，与商用电生理系统兼容。开发了有限元模型来指导设计并预测双层结构的驱动动力学。
驱动机制：通过调整交联剂浓度和用于再膨胀的介质来微调 PAA 水凝胶的膨胀特性。这样就可以控制花瓣的曲率，曲率半径可低至 300 微米，适合包裹亚毫米级的脑球体。
结果与讨论：
e-Flower 在接触细胞培养基几分钟内成功从平面 2D 结构转变为 3D 形状。这使它能够包裹脑球体并使电极靠近组织。
该设备展示了记录 1 岁脑球体表面自发神经活动的能力。记录的信号表现出与之前对脑球体的研究中所见的模式相当的模式。
电极的电特性在反复的膨胀和干燥循环中保持一致，显示了该设备在重复使用过程中的稳健性。
使用 e-Flower 对神经活动进行化学操纵（使用升高的 K+ 浓度来抑制尖峰活动）验证了记录信号的神经来源。
与现有技术相比，e-Flower 具有多项优势。它易于使用，不需要复杂的外部执行器，并提供“即插即用”解决方案来记录预制神经组织的 3D 活动。与圆柱形或基于剪纸的 MEA 等其他方法相比，e-Flower 不需要侵入性组织处理，并且与市售的电生理系统兼容。该设备的设计灵活性允许定制以适应不同的组织模型，从脑类器官到斑马鱼幼虫等小生物。
此外，作者强调，e-Flower 凭借其 32 电极配置为球体表面提供了更好的覆盖，从而比以前的 3D MEA 设计能够更全面地收集数据。其简单的非侵入性驱动机制避免了对组织的潜在伤害，并能够轻松集成到标准实验室环境中。
研究的局限性与下一步方案
长期使用：虽然该研究证明了 e-Flower 在急性环境中的有效性，但需要进行长期研究来评估其在长期记录中的可行性。这包括确保球体保持健康，并且水凝胶施加的机械力不会随着时间的推移损坏组织。
电极阻抗：该研究没有探索电极修改，例如使用可以降低阻抗的材料涂层，例如 PEDOT。然而，由于水凝胶的存在，这种涂层的整合可能会带来污染风险。
可逆性和组织释放：该设备已证明可逆打开和关闭长达三个周期，但组织释放仍然需要水凝胶干燥，这可能会给组织带来压力。未来的研究应该探索可逆释放机制或替代刺激响应水凝胶，以实现安全和非侵入性组织释放。
成像兼容性：虽然目前的设计针对电生理记录进行了优化，但未来的改进可以集中在使设备与荧光成像兼容，方法是用透明的替代品（如聚对二甲苯和氧化铟锡）取代聚酰亚胺和铂等不透明材料。
e-Flower 代表了 3D MEA 技术的重大进步，为从脑球体进行电生理记录提供了一种实用的非侵入性工具。其水凝胶驱动的 3D 结构为研究复杂 3D 组织模型中的神经活动提供了一种新方法，其潜在应用范围不仅限于神经研究，还扩展到更广泛的组织工程和疾病建模应用。
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