长柄5 mm神经探针插入大鼠脑的力学：几何形状与振动辅助插入的影响

《Micromachines》：Mechanics of Long-Shank 5 mm Neural Probe Insertion into the Rat Brain: Effects of Geometry and Vibration-Assisted Insertion

　　

将微电极阵列（MEAs）插入脑组织仍然是一项机械挑战，特别是对于为进入深部结构而设计的长而细的探针。本研究调查了具有不同几何形状的5 mm长非晶碳化硅（a-SiC）探针的力学特性，以及振动辅助插入对大鼠脑穿透的影响。方法：研究人员制备了两种平面a-SiC探针设计，具有相同的长度和厚度，但宽度几何形状不同：一种为均匀宽度（175 μm），另一种为锥形（从175 μm逐渐减小至75 μm）。通过有限元建模（FEM）估算临界屈曲力（F_C），并实验验证。在1.2%琼脂糖凝胶的脑模拟物中，以不同插入速度（20–1000 μm/s）评估插入力学，并通过植入大鼠皮层进行体内评估。插入指标包括穿透力（F_P）、皮质凹陷深度（D_d）、最大插入力（F_max）和插入成功率，均在有无振动辅助下进行评估。结果：锥形设计显示出较低的穿透力和较高的插入成功率，尽管其临界屈曲力较低。确定了100 μm/s的最佳插入速率，该速率在两种设计间平衡了插入时间、低F_max和高插入成功率。在大鼠脑中，均匀探针的F_P和D_d较高，成功率较低，而锥形探针则相反。随后对锥形探针研究了振动辅助插入。施加振动显著降低了F_P，而D_d和F_max保持不变。值得注意的是，在大鼠40%的驱动插入中，未观察到可检测的F_P峰值，表明无阻碍的软膜穿透。结论：锥形探针几何形状和振动辅助插入可降低F_max和F_P，同时提高探针穿透大鼠脑的插入成功率。这些策略普遍适用于长柄MEA的脑插入，并可为设计和插入策略提供参考。

**研究背景**
微电极阵列（MEAs）是脑机接口（BMIs）的核心器件，用于神经信号采集与电刺激，在脊髓损伤、中风、肌萎缩侧索硬化（ALS）及假肢控制等治疗中具有应用前景。对于啮齿类动物如大鼠，需插入深度约3–5 mm以到达背侧纹状体、海马、丘脑等皮层下结构。然而，长而细的探针在插入时易发生屈曲或断裂，其临界屈曲力（F_C）随长度增加而降低。减小探针横截面积（CSA）可减轻异物反应（FBR）并改善记录稳定性，但会降低机械刚度，增加插入失败风险。现有策略包括优化探针几何形状（如更尖锐的尖端角度）、调整插入速度以及使用振动辅助插入工具。本研究旨在评估5 mm长非晶碳化硅（a-SiC）探针的插入力学，比较均匀宽度与锥形两种几何设计，并探究振动辅助插入对穿透力（F_P）、皮质凹陷深度（D_d）、最大插入力（F_max）及成功率的影响。

**研究内容与结论**
研究人员设计了两种长度5 mm、厚度~12 μm、尖端角度11°的a-SiC探针：均匀宽度（175 μm）和锥形（从175 μm渐缩至75 μm）。通过有限元建模（FEM）预测F_C并实验验证；在1.2%琼脂糖凝胶脑模拟物中以20–1000 μm/s的插入速度测试；在5只成年雄性大鼠（Charles River Laboratories, Houston, TX, USA）皮层中进行体内插入，比较有无振动辅助（0.5 W, 20 kHz, 尖端位移~5 μm）的效果。结论：锥形设计尽管F_C较低（0.7 mN vs. 1.1 mN），但插入成功率更高，穿透力更低（大鼠脑内0.37 mN vs. 0.55 mN）。最佳插入速度为100 μm/s，兼顾低F_max与高成功率。振动辅助进一步降低F_P（降至0.18 mN）和D_d（从318 μm降至127 μm），且在40%的驱动插入中未观察到明显穿透力峰值。这些结果发表在《Micromachines》。

**主要关键技术方法**
1. **有限元建模（FEM）**：使用COMSOL Multiphysics v. 5.2模拟机械行为，假设a-SiC杨氏模量为75 GPa，采用固定-铰支边界条件，预测临界屈曲力（F_C）。
2. **实验屈曲力测量**：将探针安装于20 g S型测力传感器（FUTEK FSH 3868），使用NeuralGlider植入器（Actuated Medical, Bellefonte, PA, USA）以受控速度将尖端推向刚性硅片，记录力-位移曲线。
3. **脑模拟物插入测试**：采用1.2%琼脂糖凝胶模拟脑组织粘弹性，以不同速度（20–1000 μm/s）插入4 mm深度，记录最大插入力（F_max）。
4. **体内插入与振动辅助**：在5只成年雄性大鼠（Charles River Laboratories）中进行开颅及硬膜切除后，以100 μm/s速度插入4 mm，并使用NeuralGlider植入器提供20 kHz超声振动（0.5 W），提取穿透力（F_P）、皮质凹陷深度（D_d）和最大插入力（F_max）。

**研究结果**
**3.1 临界屈曲力与FEM**
通过实验测量与FEM预测对比：均匀宽度探针F_C为1.1 ± 0.07 mN（n=3），锥形探针为0.7 ± 0.04 mN（n=4）。单样本t检验显示实验值与FEM预测值无显著差异（均匀p=0.24，锥形p=0.10），验证了FEM对非均匀几何形状的适用性。

**3.2 琼脂糖中插入：插入速度的影响**
在1.2%琼脂糖中，均匀探针在各速度下的F_max无显著差异（p=0.66）。锥形探针在1000 μm/s时的F_max显著高于20 μm/s（p=0.007），且100 μm/s与500、1000 μm/s间有显著差异。在20和100 μm/s时，两种设计的F_max差异显著（p<0.03），更高速度下无显著差异。插入成功率方面，均匀探针在20、100、500、1000 μm/s下依次为57%、60%、43%、37%；锥形探针为100%、77%、62%、50%。锥形探针在所有速度下成功率更高。部分试验可识别穿透力（F_P）和凹陷深度（D_d），两者均随速度增加而增大，且均匀探针的值更高。综合成功率与手术可行性，选择100 μm/s作为后续体内插入速度。

**3.3 大鼠脑中插入：几何形状与驱动的影响**
均匀探针（无驱动）的F_P为0.55 ± 0.23 mN（n=19），显著高于锥形探针无驱动时的0.37 ± 0.17 mN（n=14，p=0.017）。振动辅助下，锥形探针的F_P降至0.18 ± 0.16 mN（n=20），显著低于无驱动锥形（p=0.010）。D_d方面，振动辅助将锥形探针从318 ± 243 μm降至127 ± 124 μm（p=0.007），但与均匀探针（440 ± 243 μm）相比，无驱动锥形差异未达显著性（p=0.1）。F_max在均匀、锥形无驱动、锥形有驱动组分别为2.5 ± 0.77、2.3 ± 0.70、1.9 ± 0.60 mN，组间无显著差异。插入成功率：锥形探针无论是否驱动均为100%，而均匀探针仅为55%。特别地，在40%的驱动插入试验中未观察到明显穿透力峰值，提示振动辅助可能实现了无阻碍软膜穿透。

**讨论与结论总结**
讨论指出，减小探针CSA可降低FBR并改善记录稳定性，但长探针易屈曲。锥形设计在尖端附近CSA小以降低穿透力，近端宽度大以增加抗弯刚度，尽管整体F_C较低，但通过降低宽厚比（w/t）改善侧向稳定性。插入速度选择需平衡组织粘弹性响应：高速增加组织刚度导致F_max升高，低速则延长手术时间。振动辅助主要通过影响初始穿透阶段（软膜穿刺与表面交互）降低F_P和D_d，而对深层推进的F_max无显著影响，减小D_d可降低急性插入创伤与出血风险。虽然本研究使用非功能探针，但力学优势预期转化为慢性电生理记录的稳定性提升。结论部分翻译为：研究人员评估了不同横截面几何形状的5 mm长非晶碳化硅（a-SiC）探针在琼脂糖凝胶和大鼠脑急性插入中的力学行为。研究表明，与均匀宽度探针相比，锥形探针设计显著降低穿透力并提高插入成功率，尽管其临界屈曲力较低。有限元建模提供了准确的屈曲行为预测，验证了其对非均匀几何形状的实用性。插入速率显著影响力学结果，100 μm/s被确定为本研究的最佳速度，在两种设计间平衡了低插入力与高成功率。此外，振动辅助插入进一步降低了穿透力和皮质凹陷深度，而未显著影响最大插入力。这些结果凸显了几何优化与驱动辅助技术相结合在提高长柄MEA植入可靠性方面的优势。研究结果为更安全、更有效地部署低CSA柔性神经探针以实现脑深部结构的微电极记录与刺激提供了设计和方法学指导。未来工作应包括慢性植入和组织学分析，以关联插入过程中的力学指标与长期组织反应及神经记录稳定性。