基于半导体3D堆叠技术的脑类器官阵列可扩展封装策略及其在高效能生物处理器中的应用

【编辑推荐】为突破传统脑类器官培养的规模限制，韩国研究团队受半导体3D封装技术启发，开发了聚二甲基硅氧烷（PDMS）腔室结合可拆卸丙烯酸对齐板的垂直堆叠方法。该技术显著增强类器官间突触连接与神经动态，提升生物处理器的计算容量与功能复杂度，为下一代生物计算平台提供新范式。

　　

随着人工智能（AI）对算力需求的爆炸式增长，传统硅基芯片面临物理分离架构与晶体管微缩极限的双重瓶颈。相比之下，人脑仅需20瓦功耗即可完成复杂认知任务，这激发了科学家对生物计算系统的探索。脑类器官（brain organoids）因其接近真实脑组织的3D结构与高效并行处理能力，被视为突破冯·诺依曼架构的理想载体。然而，现有类器官培养技术存在致命缺陷：扩大尺寸会导致核心区缺氧坏死，而二维（2D）阵列又难以实现足够的突触密度。如何在不牺牲存活率的前提下提升类器官系统的规模与功能，成为制约生物处理器发展的关键壁垒。

韩国国家研究基金会支持的研究团队在《Biosensors and Bioelectronics》发表突破性成果，创新性地将半导体行业的3D堆叠技术（3D stacking technology）引入生命科学领域。研究人员设计了一种聚二甲基硅氧烷（PDMS）基腔室与可拆卸丙烯酸对齐板的复合系统，通过垂直组装Matrigel包埋的脑类器官，构建出支持氧扩散的多层神经网络阵列。电生理记录显示，这种结构不仅避免缺氧损伤，还使神经活动同步性提升3倍以上。

关键技术方法
研究采用PDMS微加工技术构建定制化培养腔室，结合丙烯酸对齐板实现类器官的毫米级精确定位。通过优化Matrigel柱状支架的孔隙率（35%），平衡结构支撑与营养物质渗透。采用多电极阵列（MEA）实时监测跨层神经电信号，结合钙成像验证网络功能连接。实验使用人源诱导多能干细胞（iPSC）分化的脑类器官，培养周期达120天以促进突触成熟。

Development of a 3D Packaging Technique
团队开发了10:1比例混合的PDMS腔室模具，通过真空脱泡与85℃热固化形成稳定结构。关键创新在于腔室设计包含0.35mm微通道网络，确保各层类器官间距1.4mm的精确排列。移除丙烯酸对齐板后，Matrigel柱形成贯穿三层的垂直连接通路，其弹性模量（~500Pa）完美匹配脑组织力学特性。

Development of a 3D packaging technique for brain organoids
实验证实，堆叠组类器官的突触素（synaptophysin）表达量较单层培养提升2.3倍，且γ-氨基丁酸（GABA）能神经元占比增至28%。高频振荡（30-80Hz）功率谱分析显示，3D阵列的神经同步性指数达到0.71±0.05，显著高于2D组的0.42±0.03。

Conclusions
该研究首次实现脑类器官的半导体式3D集成，突破传统培养的物理限制。堆叠结构使神经元密度提升至10⁷
/cm³
，同时维持90%以上细胞存活率。这种仿生封装技术为构建千亿级突触容量的生物处理器奠定基础，其能效比预计可达传统AI硬件的1/1000。

讨论与展望
尽管该技术仍需优化血管化方案以支持更大规模堆叠，但其模块化设计已兼容现有生物计算平台。作者Ju-Hyun Lee指出，这项突破可能催生新型"类器官云计算"服务，而Minseok Kim强调该方法在模拟神经退行性疾病方面的独特优势。随着韩国政府持续资助（项目号RS-2025-00557203），团队正探索将该系统用于阿尔茨海默病药物筛选，标志着生物计算向医疗应用的实质性跨越。