1. Context tehnic și semnificație

Rețelele de electrozi cu microace extrem de elastice pot pătrunde în straturile superficiale ale țesuturilor biologice, se pot adapta la deformarea cauzată de mișcarea țesuturilor și pot obține senzori țintiți și stimulare electrică în organismele vii printr-o abordare minim invazivă. Acestea oferă o interfață bioelectronică stabilă, îmbunătățesc calitatea înregistrării semnalului și reduc daunele tisulare, găsind astfel aplicații largi în neuroștiință, ingineria țesuturilor și bioelectronica purtabilă.

Tehnologia actuală a microacelor are limitări semnificative: marea majoritate a microacelor nu sunt întinse și este dificil să se personalizeze parametri cum ar fi distribuția lungimii și zona de detectare a electrozilor cu microace la nivelul dispozitivului individual. Motivele principale constau în incompatibilitatea dintre procesele de fabricație a electrozilor rigidi cu microace și a materialelor flexibile extensibile, precum și provocările tehnice în integrarea materialelor și modelarea structurii tri-dimensionale (3D) a microacurilor.

2. Echipa de cercetare și Publicația de realizare

Grupul de cercetare condus de Hangbo Zhao de la Departamentul de Inginerie Aerospațială și Mecanică și Departamentul de Inginerie Biomedicală de la Universitatea din California de Sud (USC) (cu Qina Zhao, doctorand în cadrul departamentului, ca prim autor), în colaborare cu grupurile de cercetare ale lui Rhanor Gillette și Mattia Gazzola de la Universitatea Illinois din Urbana-, a publicat un articol de coperta în Champaign (UIUC).Progresele științei. Articolul raportează aplicațiile de proiectare, fabricare și detecție electrofiziologică ale unui nou tip de matrice de electrozi cu microace extensibile, care poate servi ca o interfață bioelectronică eficientă. De exemplu, a fost folosit pentru a detecta semnale electromiografice intramusculare (EMG) de la diferite grupe musculare din regiunea bucală a Aplysia (iepuri de mare).

Obiectivul de cercetare al grupului lui Zhao provine din interesul față de mecanismele de mișcare a mușchilor{0}}animalelor cu corp moale, cum ar fi întinderea și îndoirea tentaculelor de caracatiță și târarea și hrănirea melcilor de mare. Studierea mecanismului de acțiune coordonată a grupurilor de mușchi multi-distribuite în spațiul 3D este de mare importanță în domeniile biologiei, bionicii și roboticii.

3. Inovații tehnologice de bază

Schema de producție hibridă: O metodă unică de producție care combină gravarea cu laser, microfabricarea și imprimarea prin transfer este adoptată pentru a crea cu succes o rețea de electrozi cu microace foarte extensibilă (cu o rată de întindere de 60%-90%) și adresabilă individual. Prin procese cu costuri reduse și scalabile, morfologia, lungimea, zona de detectare, impedanța și aspectul electrozilor cu microac pot fi personalizate în mod flexibil.

Reglarea zonei de detectare a electrozilor: A fost inventată o nouă metodă de gravare cu hidrogel 3D, care permite gravarea selectivă a microacelor în câteva secunde, asigurând că doar regiunea vârfului electrodului rămâne conductivă. Cu tehnologia de gravare chimică cu hidrogel-, zona de detectare a electrodului vârfului poate fi reglată cu precizie pentru microace de diferite lungimi, detectând astfel semnalele tisulare la diferite adâncimi.

Design structural și material: Rețeaua de electrozi cu microace constă din electrozi cu microace din poliimidă și fire de legătură elastice serpentine. După ce a fost acoperit cu un strat conductor de aur, este lipit covalent de un elastomer siliconic, care nu numai că asigură o întindere ridicată, ci și evită problemele de exfoliere în timpul utilizării.

Diagrama schematică a etapelor de fabricație pentru rețele de electrozi cu microace extensibile.

Testarea de întindere a rețelelor de electrozi cu microace extensibile

4. Verificare experimentală și efecte

Scenariu experimental: În experimentul de detectare a semnalelor EMG intramusculare din regiunea bucală a Aplysia izolată, electrozi cu microace de diferite lungimi au fost inserați în diferite grupuri musculare. Electrozii ar putea urmări deformarea mușchilor bucali și ar putea înregistra stabil semnalele EMG de la fiecare grup muscular.

Comparație de performanță: În comparație cu semnalele EMG de suprafață înregistrate de rețelele de electrozi planare cu microac, semnalele EMG intramusculare înregistrate de acest electrod cu microac extensibil sunt mai puternice și mai specifice. Acest lucru demonstrează că poate detecta în mod eficient semnale de la țesuturile active profunde în organismele vii și poate fi, de asemenea, utilizat ca instrument pentru stimularea electrică a țesuturilor profunde, oferind sprijin pentru cercetarea biologică și neuroștiințifică.

Verificarea capacităților de bază: Experimentul demonstrează pe deplin că acest electrod cu microac are capacitatea de a servi ca o interfață bioelectronică 3D, echilibrând rigiditatea structurală și flexibilitatea materialului microacurilor. Rigiditatea relativ ridicată îi permite să fie introdus stabil în țesuturile biologice, în timp ce elasticitatea ridicată asigură o aderență strânsă la țesuturile biologice moi și în mișcare.

Măsurătorile in vitro ale semnalelor electromiografice intramusculare și de suprafață în mușchii bucali Aplysia au fost efectuate utilizând rețele de electrozi cu microace extensibile și rețele de microelectrozi plate.

Aceste exemple experimentale demonstrează capacitatea acestor electrozi cu microace de a servi drept interfață bio-electronică 3D.

5. Perspective de aplicare a realizarii

Ca o interfață bioelectronică avansată, această matrice de electrozi cu microace extensibile are o valoare potențială de aplicare în mai multe domenii:

Detecția electrofiziologică în domeniul interfețelor creierului-computerului;

Detectarea electrochimică a lichidului interstițial al pielii;

Stimularea electrică a țesuturilor neuronale și musculare.

6. Acces la hârtie

Link către lucrarea de cercetare relevantă: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn7202