一种热驱动型3D可折叠生物电子接口，用于人类脊髓类器官的多模态电生理学及细胞因子分析

《Biosensors and Bioelectronics》：A thermally actuated 3D foldable bioelectronic interface for multimodal electrophysiological and cytokine profiling of human spinal cord organoids

　　

李承俊|韩尚民|申晓根|李柱贤|周南顺

韩国大邱庆北国立大学电子电气工程学院，邮编41566

摘要

三维类器官为研究人类神经发育和疾病提供了具有生理相关性的模型；然而，与弯曲且不断变化的类器官表面实现稳定的生物电接口仍然是个挑战。在此，我们提出了一种基于热激活形状记忆聚合物的可折叠生物电接口，可用于在人类脊髓类器官中同时进行电生理记录和电化学细胞因子检测。在接近生理温度（36–37 °C）时，形状记忆聚合物基底会显著软化，从而无需外部机械压力即可贴合类器官的3D结构。该平台整合了用于细胞外神经记录的金微电极以及用于无标记细胞因子检测的抗体功能化传感电极。有限元模拟和实验力学分析表明，该接口具有温度依赖性弯曲特性、良好的贴合性、较低的界面应力以及机械稳定性。电化学特性测试显示，该接口对1–100 ng/ml范围内的细胞因子具有线性响应，TNF-α的检测下限为0.44 ng/ml，IL-8的检测下限为0.41 ng/ml。利用这一多模式平台，可在炎症刺激条件下同时从人类脊髓类器官中获得稳定的电生理记录和细胞因子监测数据。TNF-α处理会导致神经放电活动呈剂量依赖性增加，同时也会出现相应的电化学细胞因子反应。总体而言，这种热适应性生物电接口为完整类器官的电学和生化特性综合分析提供了一种微创方案，有望成为研究神经炎症类器官的重要工具。

引言

神经炎症在神经退行性疾病、自身免疫性神经系统疾病以及脊髓损伤的发病机制中起着核心作用。（Brambilla 2019；Kwon和Koh 2020；Zhang等人2023）。肿瘤坏死因子-α和白细胞介素-8等促炎细胞因子可调控细胞内信号通路、胶质细胞活化以及神经网络重塑，进而影响神经系统的电生理兴奋性（Buffolo等人2021；Lee等人2023；Ramesh等人2013）。因此，能够同时定量评估炎症信号与神经功能活动对于研究神经炎症反应的机制具有重要意义（Mac等人2026）。在此背景下，人类脊髓类器官作为一种先进的3D体外模型，因能够再现人类神经回路发育和炎症反应的关键特征而备受关注（Huang等人2022；Lee等人2022；St?berl等人2023）。这类系统具备传统的二维培养方式所没有的有序细胞结构及网络级功能。然而，其球形结构以及不断变化的微环境使得实现稳定可靠的生物电接口变得十分困难。

目前大多数神经生物电平台都是为平面组织或单层培养体系设计的（Kim等人2025；Li等人2021）。尽管柔性电子技术的进步提升了这些平台的机械适配性，但大部分类器官接口系统仍然采用平面或部分包裹的结构。这样一来，它们与3D曲面组织的接触面积有限，且在应用时往往会出现信号耦合不稳定等问题（Abu Shihada等人2024；Boufidis等人2025；Wang等人2025）。为克服这些缺陷，近期有一些研究开发出了3D微电极阵列结构，这类结构能够贴合类器官表面，从而实现大面积的电生理记录以及更全面的网络级活动分析（Liu等人2026）。不过，这类系统通常是按照特定类器官的形状预先设计几何结构的，因此难以适应形态各异的类器官。此外，刚性或几何结构受限的设计可能会在电极与组织界面处产生机械不匹配，进而降低信号质量并增加界面阻抗（Lee和Liu 2025；Xu等人2025）。更重要的是，大多数这类平台仅针对电生理测量进行了优化，无法同时捕捉电化学信号，也无法探究类器官网络中电活动与神经化学动态之间的相互作用。

与此同时，类器官模型中的神经炎症评估主要依赖于终点检测方法，包括常规的组织学和分子学分析，以及通过ELISA检测整体细胞因子水平（Jung等人2018；Recaldin等人2024）。虽然这些方法具有分子特异性，但它们需要破坏性处理或间接取样，因此无法实现细胞因子释放与电生理活动之间的实时、类器官层面的关联分析。

为解决这些问题，一种有效的类器官生物电接口必须满足两个关键要求：其一，它必须能够在不对类器官施加过大机械压力的情况下，与其3D曲面结构实现完美贴合；其二，它必须在同一个稳定的平台上同时支持电信号和生化信号的采集。

在此，我们介绍了一种基于热激活形状记忆聚合物的3D可折叠生物电接口，该接口能够在生理条件下动态调整自身的机械性能。传统的形状记忆聚合物具有在外部刺激如温度或环境变化作用下可逆地转变为预设形状的特性。在本研究中，我们利用了形状记忆聚合物在低温下处于刚性玻璃态、而在接近生理温度时变为柔软状态的特性，使其能够根据类器官表面的几何结构实现稳定的贴合接触。在36–37 °C附近，形状记忆聚合物的存储模量会显著下降，从而无需外部机械压力即可被动地贴合类器官表面（Liu等人2023）。这种温度响应特性有助于实现均匀的表面接触和可控的应力分布，进而最大限度地减少组织与电极界面处的机械干扰。

所设计的接口整合了用于电生理记录的图案化金微电极，以及用于无标记电化学检测细胞因子的抗体功能化传感位点。经过验证，抗体修饰的金电极在细胞因子检测方面具有较高的灵敏度和特异性（Cancelliere等人2022；Hou等人2013）。有限元模拟结合实验验证结果表明，该接口具有温度依赖性的变形特性，同时能够与类器官表面保持机械稳定且安全的贴合接触。

为了评估这一多模式平台的功能，我们让人类脊髓类器官受到不同剂量的TNF-α刺激。该平台能够在同一个完整的类器官中同时监测网络级的电生理活动以及与细胞因子相关的电化学信号。通过捕获这些同步发生的反应，该平台实现了神经活动与炎症信号之间的直接关联，为在类器官系统中开展高精度的神经炎症研究提供了一种高效且微创的方法。

章节节选

材料

所有材料的详细清单见补充信息部分。

基于形状记忆聚合物的可折叠生物电接口的制备

该可折叠生物电接口是通过标准的光刻和金属沉积工艺在形状记忆聚合物基底上制备而成的（图S1）。简而言之，首先将形状记忆聚合物前驱体溶液旋涂在牺牲铜层上，再通过紫外线固化形成基底。随后通过光刻和ICP-RIE蚀刻技术在基底上制备出Ti/Au电极，最后再覆盖一层形状记忆聚合物绝缘层进行封装。

3D可折叠生物电接口的设计与工作原理

这种热适应性3D可折叠生物电接口是一种集成式的诊断平台，专为多模式类器官检测而设计（图1）。该接口能够自动发生结构变化，从而与复杂的生物结构实现无缝连接。通过利用形状记忆聚合物的温度依赖性机械转变特性，该接口能够实现精确且贴合的连接，进而克服传统平面电极与3D结构之间的机械不匹配问题。

结论

本研究提出了一种热适应性生物电接口，可用于从人类脊髓类器官中同时获取电生理和电化学信号。由于该接口采用了在生理温度（36–37 °C）下会软化的形状记忆聚合物，因此能够与复杂的3D类器官几何结构实现完美贴合，从而解决了传统平面及曲面生物电系统存在的界面问题。

该接口还将电生理记录电极与

CRediT作者贡献说明

周南顺：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，验证，项目管理，研究实施，资金筹集，概念构思。李柱贤：写作——审阅与编辑，验证，项目管理，研究实施。申晓根：写作——审阅与编辑，验证，项目管理，正式分析。韩尚民：写作——初稿撰写，可视化，方法学，正式分析，数据整理。李承俊：写作——初稿撰写，

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国政府资助的韩国国家研究基金会（NRF）的生物与医疗技术发展计划（项目编号RS-2025-02243041）的支持。此外，该研究还获得了韩国国家研究基金会（NRF）的多项资助，这些资助同样来自韩国政府（MSIT），项目编号分别为RS-2021-NR062074、RS-2025-00557203、RS-2025-00521488和RS-2025-02309992。同时，该研究还得到了韩国食品药品安全部的资助（项目编号RS-2024-00331678）。