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内容概览
现有技术缺点
动态顺应性不足：现有的微电极阵列（MEAs）在面对心脏、骨骼肌和皮肤等动态变形的组织时，缺乏足够的可伸缩性。 制造挑战：现有制造工艺与所需材料和结构的可拉伸性不兼容，导致在制作柔性、可穿透的三维微电极阵列时面临重大挑战。
刚性材料的局限性：高模量材料如硅、玻璃和金属容易机械弯曲或断裂，不适用于长且细的微针电极。
创新点
可伸缩微针电极阵列（SMNEAs）：开发了一种新型可伸缩微针电极阵列，能够应对高达60%-90%的延展性。
独特的制造方案：采用激光微加工、复制成型、微加工和转移印刷技术，实现了可扩展制造，并且电极几何形状、记录区域、阻抗、阵列布局和长度分布均可高度定制化。
高模量微针：微针具有相对较高的模量（E=6.6 GPA），保证了其在插入目标组织时的稳定性。
低成本可扩展工艺：通过金属化和基于凝胶的化学蚀刻技术处理微针，结合弹性基板的共价键合，提升了电极阵列的可伸缩性和机械强度。
应用场景
神经科学：在神经科学研究中，SMNEAs可用于记录和刺激神经活动。 组织工程：在组织工程领域，SMNEAs可以用于监测和刺激生长中的组织。
可穿戴生物电子学：作为可穿戴设备的一部分，用于实时监测人体生理信号。
体内和体外应用：在海兔颊肌肌内肌电图（EMG）测量中展示了其实用性，也适用于其他生物组织内的感知和刺激。
总结
该研究提出了一种可扩展的制造方法，用于制作具有高度可拉伸性和可定制性的微针电极阵列（SMNEAs）。这种阵列在面对动态变形的组织时，能够以微创方式实现稳定的生物电子接口。SMNEAs在多个领域展示了广阔的应用前景，如神经科学、组织工程和可穿戴生物电子学，尤其在实时监测和刺激动态三维组织环境方面表现出色。这项技术为未来的体内和体外生物组织感知和刺激提供了一个有前景的平台。
文章名称：Highly stretchable and customizable microneedle electrode arrays for intramuscular electromyography
期刊：Science Advances
文章DOI：10.1126/sciadv.adn7202
通讯作者：南加州大学Hangbo Zhao
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图文简介
可伸缩微针电极阵列
图2.制备SMEA的步骤示意图。
微针电极电性能和力学性能的表征
图3.电极记录区和电阻抗的控制。(A)制造具有导电尖端暴露的微针电极的步骤示意图。(B)显示在微针尖端使用凝胶辅助蚀刻铜硬掩模的侧视显微镜图像。(C)选择性蚀刻parylene涂层后，Au涂层微针尖端的扫描电子显微镜(SEM)图像。(D)目标暴露尖端长度分别为80 μm和140 μm的两组微针电极的暴露尖端长度统计。(E)在微针尖端进行电化学沉积PtB后的SEM图像。(F)在0.1 M磷酸盐缓冲盐水(PBS)中，在电化学沉积PtB前后，微针尖端的电极阻抗频谱和1 kHz扫描频率下的平均电极阻抗。(G)在凝胶琼脂中循环插入时，具有PtB尖端的电极在1 kHz处的阻抗。
SMNEA的机械延伸性
图4. SMNEAs的可拉伸性。(A) 光学图像和相应的有限元分析结果显示SMNEA器件中PI的最大主应变分布在松弛状态下，拉伸状态下，以及拉伸和扭曲的组合状态下。插图显示最大主应变分布的最大值位置。(B) 侧视光学图像显示SMNEA器件在单向拉伸下达到100%。(C) SMNEA器件中电极的阻抗随施加的拉伸应变的变化。(D) 本文中的SMNEA与先前报道的柔性或可拉伸微针电极阵列在微针模量和器件可拉伸性方面的比较。
肌内肌电的体外记录
图5.使用SMNEA和平面MEA设备对海兔颊囊肌的肌内和表面肌电进行体外记录。(A)颊囊肌内回缩运动周期示意图。(B和C)使用SMNEA装置的颊囊肌光学图像以及在回缩运动周期中相应的尺寸变化。R代表颊囊肌前端的直径，L代表口腔至食道的长度。(D)共聚焦显微镜图像显示微针电极插入颊囊肌的I1/I3和I2肌群。(E)光学图像标识了插入颊囊肌的每个微针电极。(F)SMNEA和(G)平面MEA分别记录肌内肌电和表面肌电信号。MN，微针电极；P，平面电极。(H和I)来自(H)SMNEA和(I)平面MEA的所有记录通道的肌内EMG和表面EMG信号的平均功率谱。
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文献来源
Qinai Zhao et al.Highly stretchable and customizable microneedle electrode arrays for intramuscular electromyography.Sci. Adv.10,eadn7202(2024).DOI:10.1126/sciadv.adn7202
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