三维自折叠柔性微电极阵列在类器官电生理分析中的突破性应用

传统平面微电极阵列(MEA)难以有效检测三维(3D)类器官的电活动。研究人员开发了基于聚酰亚胺(PI)/SU-8光刻胶的双层结构柔性自折叠微电极阵列(FSMEA)，成功记录了皮质类器官和心脏胃泌样体(EMLOC)的动作电位和局部场电位，为神经退行性疾病研究和药物筛选提供了创新工具。

　　

在生物医学研究领域，三维(3D)类器官技术正掀起一场革命。与传统的二维(2D)细胞培养相比，类器官能更好地模拟人体组织的复杂结构和功能；与动物模型相比，它们又避免了伦理问题并更贴近人类生物学特征。然而，当科学家们试图研究这些微型"器官"的电活动时，却遇到了一个棘手难题——现有的平面微电极阵列(MEA)根本无法有效覆盖类器官的三维结构。

这个问题在神经科学和心脏研究领域尤为突出。无论是研究阿尔茨海默病(AD)的脑类器官，还是分析心律失常的心脏类器官，电生理记录都是理解其功能的关键。传统MEA只能从单侧接触类器官，要么需要切片破坏样本，要么只能获得片面的电信号。这就像试图用平面相机拍摄立体雕塑，注定会丢失大量关键信息。

来自纽约州立大学奥尔巴尼分校的Fernando Pesantez Torres等研究者决心突破这一技术瓶颈。他们巧妙借鉴半导体微加工技术，开发出具有自折叠特性的三维柔性微电极阵列(FSMEA)。这项发表在《Cell Biomaterials》的研究，通过两种材料组合方案——聚酰亚胺(PI)/SU-8双层和SU-8/SU-8双层，利用不同材料层的应变差异实现自折叠，构建出能"拥抱"类器官的三维电极网络。

研究团队采用四个光刻掩模步骤完成器件制备，关键步骤包括：通过控制SU-8曝光剂量(200 mJ/cm²完全交联，80 mJ/cm²部分交联)调节弯曲曲率；采用金(Au)电极搭配聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)涂层将阻抗降至10kΩ以下；设计包含30-59个电极的多种阵列配置，可适配500-1,500μm不同尺寸的类器官。样本来源于NeuraCell核心设施提供的hiPSC野生型(GIH-7-C2d2B12系)皮质类器官和实验室自制的EMLOC胃泌样体。

【FSMEA fabrication】

研究人员成功制备了两种构型的FSMEA器件。PI/SU-8器件展现出更优的机械稳定性，而SU-8/SU-8器件则更易碎但电学性能出色。通过精确控制SU-8的交联度梯度，器件能自发折叠形成容纳类器官的凹陷结构，95%的制备器件能形成预期三维构型。电化学测试证实PEDOT:PSS涂层使电极阻抗从>1MΩ显著降低至<10kΩ。

【Cardiac-neural gastruloid electrophysiology】

在EMLOC胃泌样体测试中，8天龄的胃泌样体(约400μm)在FSMEA上表现出明显的周期性电活动，频率与心肌细胞收缩节律一致。免疫荧光染色证实组织中存在心肌肌钙蛋白T(cTnT)阳性的心肌细胞和β-III-微管蛋白(TUJ1)标记的神经元结构，验证了该模型的 cardiac-neural双重特性。

【Feasibility of using flexible MEA to monitor the electrophysiological activity of cortical organoids】

对15月龄、直径1.5mm的皮质类器官测试表明，FSMEA能稳定记录到自发动作电位和局部场电位(LFP)。活死染色显示类器官在PI和SU-8基底上均保持高存活率，证实了器件的生物相容性。基因表达分析显示类器官中PAX6、FOXG1、CTIP2和TBR1等皮质标志物均超过质控阈值，确保电生理数据来自正确分化的神经组织。

这项研究的创新之处在于将半导体行业的成熟微加工技术创造性应用于生物传感领域。通过材料应变工程实现的三维自折叠结构，避免了复杂的人工组装步骤；PEDOT:PSS改性电极兼顾了低阻抗和高生物相容性；模块化设计支持电极数量和排布的灵活调整。与现有的kirigami电子器件或网状电极相比，FSMEA在制造简便性和电极密度方面具有明显优势。

从长远来看，这项技术为神经退行性疾病研究和药物开发开辟了新途径。研究人员计划进一步整合pH、氧含量和生物标志物传感器，构建多功能类器官分析平台。特别是在帕金森病(PD)研究中，结合多巴胺光子检测与电生理监测，有望更全面地揭示疾病机制。随着FDA取消临床前药物测试的动物模型强制要求，这类能精准反映人类生理的3D模型结合先进检测技术，正在重塑生物医学研究的未来图景。