磁驱软电极：离体组织多点位生物电监测的新策略

《Cyborg and Bionic Systems》：Magnetically Actuated Soft Electrodes for Multisite Bioelectrical Monitoring of Ex Vivo Tissues

本文推荐了一种磁驱动软电极（MSE）技术，旨在解决传统微电极阵列（MEA）在动态弯曲组织表面监测时存在的刚性结构不贴合、空间定位不可控以及电缆连接限制灵活性等问题。研究通过集成磁控驱动与柔性传感，实现了在搏动离体心脏上的毫米级精准导航、自适应粘附及高信噪比（SNR>28 dB）信号采集，为器官模型、组织切片及工程构建体的可编程多点位电生理监测提供了新平台，在心脏毒性筛查及心血管研究领域具有广阔应用前景。

　　

在生命科学和医学研究领域，离体培养的类器官、组织切片以及分离的完整器官，作为连接体外细胞培养与体内动物实验的重要桥梁，保留了原生组织的关键结构、电生理和生化特性，已成为研究疾病机制、药物反应不可或缺的平台。然而，要全面捕捉这些动态模型的真实行为，对其进行实时、点位分辨的电生理监测至关重要。遗憾的是，传统的微电极阵列（Microelectrode Array, MEA）在这种复杂动态环境中显得力不从心。其刚性的结构难以贴合如搏动心脏这类运动中的弯曲组织表面，导致接触不稳定和信号失真；固定的电极布局缺乏空间可寻址性，难以跨时间评估多个区域；此外，线缆连接也限制了在灌注腔或三维（3D）培养环境中进行大规模、自动化测量的操作灵活性。

尽管软弹性电子学的发展带来了超薄贴片式传感器，它们展现出良好的机械顺应性和生物相容性，但大多数此类设备是被动固定的，缺乏主动重新定位的能力。与此同时，磁驱动软体机器人技术在非接触驱动和生物环境导航方面展现出独特优势，但将磁驱动与高保真电生理传感集成到一个柔软、灵活的平台上，仍是一个有待深入探索的领域。

针对这一技术瓶颈，发表在《Cyborg and Bionic Systems》上的研究论文《Magnetically Actuated Soft Electrodes for Multisite Bioelectrical Monitoring of Ex Vivo Tissues》提出了一种创新的解决方案：磁驱动软电极（Magnetically Actuated Soft Electrode, MSE）。这是一种花形的薄膜软电极（厚度约200微米），专为动态离体组织的连续多点位电生理监测而设计。该电极工作在“定位-粘附-记录-脱离”的循环模式下，允许在单个离体组织或多个组织样本上进行顺序记录。

为开展此项研究，研究人员主要采用了以下几项关键技术方法：首先，通过多层铸造和图案化工艺制备MSE，其基底为超软硅胶弹性体（Ecoflex 00-30），并掺入钕铁硼（NdFeB）磁粉（40 wt%）以赋予磁响应性，金（Au）电极层通过热蒸发沉积。其次，利用三维（3D）亥姆霍兹线圈系统产生旋转或静态磁场（最高10 mT）对MSE进行精确磁控驱动和运动控制。第三，在离体大鼠心脏模型上，通过机械测试评估MSE与组织表面的粘附力，并测量电极阻抗。最后，使用电生理信号采集模块，在磁控粘附状态下以500 Hz采样率记录心电图（ECG）信号，并通过数字滤波（如三阶巴特沃斯带通滤波，0.5-100 Hz）和信噪比（SNR）计算进行信号分析。实验所用离体大鼠心脏来源于雄性斯普拉格-杜勒（Sprague-Dawley, SD）大鼠，置于持续充氧的克雷布斯-亨塞莱特（Krebs-Henseleit）碳酸氢盐缓冲液中以维持其生理活性。

磁驱动与运动能力

研究结果显示，MSE采用仿生三花瓣结构，整体直径35毫米，花瓣长15毫米，重量约130毫克。在旋转磁场驱动下，MSE能够实现可编程的滚动运动，包括自由转向、前进和后退。其运动步出频率（f_step-out）随磁场强度（2至10 mT）增加而线性升高（16至43 Hz）。MSE能够完成沿S形路径移动、攀爬25度斜坡以及在粗糙地形上行进等复杂动作。通过结合静态水平磁场（用于对准）和旋转磁场（用于驱动和脱离），MSE能够快速执行“重新定向-接近-粘附-脱离”循环，从而实现在不同离体培养组织或类器官目标监测点之间的精确穿梭访问。

电极性能

在电极性能方面，MSE与离体心脏心外膜表面的粘附力约为3 mN/mm²，为稳定附着和信号采集提供了可靠界面。电极在1 kHz频率下，使用前的阻抗约为10 kΩ，与心脏组织进行一次粘附-脱离循环后阻抗升至约200 kΩ，但仍处于可接受范围内用于连续ECG信号监测。具有0.5毫米宽导线的MSE电极在拉伸测试中表现出约160%的最大导电应变，远超心脏周期中心外膜表面典型的55%至70%形变范围。在经过40%应变下超过4000次的循环拉伸后，电极电阻变化保持在5%以内，显示了优异的机械和电学稳定性。扫描电子显微镜（SEM）和表面轮廓仪显示金电极表面具有微沟槽结构，平均粗糙度（Ra）约765纳米，峰谷高度约2.25微米，这有助于其高拉伸性和稳定的电性能。

整体实验设置与应用演示

整个实验系统包括磁控制系统、供氧装置和实时ECG监测设备。工作空间内放置离体心脏模型、MSE以及参考（REF）电极、接地（GND）电极和氧气扩散器。为评估MSE在多目标场景下的操作可靠性，研究人员在三个新鲜离体的搏动大鼠心脏上进行了连续心脏信号监测实验。在低频旋转磁场（B = 8 mT, f = 2.7 Hz）引导下，MSE被依次导航至每个心脏表面，随后切换至静态垂直磁场（B = 8 mT）以维持稳定粘附进行信号采集。经过滤波处理后，计算得到的ECG记录信噪比（SNR）分别为22.07 dB、26.03 dB和36.34 dB。其中第三个心脏的SNR超过了临床诊断阈值30 dB。MSE在8 mT旋转磁场、22 Hz驱动频率下的运动速度峰值可达15 mm/s，其步出频率为40 Hz。为了精确定位，实验选择了低频模式（2.7 Hz，约为峰值频率的10.8%）以降低机械振动，提高对接精度。

研究结论与讨论

本研究成功展示了一种能够无线、可编程、可控地在多组织目标上进行电生理监测的MSE。其仿生三花瓣设计实现了受控运动、自适应粘附和自主脱离。这些能力使得在多种模态磁场下实现闭环的“定位-粘附-记录-脱离”操作成为可能，支持在如搏动心脏等动态组织表面上进行可靠、可重复的监测。

在检测性能方面，MSE展现了优异的机械和电学稳定性。金电极在高达160%的应变下仍保持导电性，远超过心脏的典型形变范围。经过数千次拉伸循环后，电阻变化极小。在多心脏连续监测实验中，MSE实现了高保真、无创的信号采集，其穿梭于多个目标之间的能力凸显了其在可重复、多点位电生理检测方面的潜力。

当然，当前MSE系统也存在一些局限性。例如，实验在3D亥姆霍兹线圈系统内进行，可控空间较小（<10 cm³），限制了其应用于更大器官。此外，开放的三花瓣结构未能完全利用电极固有的高拉伸性，但这也为未来设计环状或球状闭合结构的MSE以实现更贴合的心脏包裹提供了可能。目前粘附质量的评估依赖于阻抗变化，存在时间延迟和空间分辨率不足的问题，集成实时反馈机制有望改善定位和接触控制的精度。

总而言之，磁驱动软电极（MSE）将磁控软体机器人与软电极技术相结合，为离体类器官、组织切片和分离器官的电生理信号采集提供了一个可编程、多点位、微创的平台。通过克服固定式MEA的空间和机械限制，该技术为动态神经环路图谱绘制、器官芯片监测以及精准药物筛选等领域开辟了新的机遇。