无掩模制备基于聚乳酸（PLA）的中枢神经系统记录与刺激用神经阵列

《Advanced Materials Interfaces》：Maskless Fabrication of PLA-Based Neural Arrays for CNS Recording and Stimulation

　　

基于聚乳酸（PLA）基底、金电极表面涂覆聚（3,4-乙烯二氧噻吩）/聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT/PSS）的微电极阵列，通过无掩模湿法工艺与减材激光图形化制备而成。器件在台式条件下数周内表现出稳定电学性能，并在急性体内实验中实现高质量神经接口。研究提出两种器件布局：一种用于微型硬膜外皮层脑电（micro-epicorticography），一种用于脊髓刺激。皮层阵列在双侧微型硬膜外皮层脑电记录中以体感诱发电位（SEP）为基准进行评测，显示出稳健的对侧激活与阴性同侧对照。脊髓阵列在固定刺激频率与强度下，依据注入电场的空间特征激活感觉与运动通路，从而实现局域化刺激。脊髓阵列长期（4个月）植入后基底几乎完全降解且器件生物相容性良好。这些结果展示了一种面向可降解基底神经接口原型的通用且可持续的制备流程，为按应用与患者定制的瞬态神经电子学开辟了新机遇。

研究背景与立项依据

神经接口技术正从刚性向柔性过渡，以提升与软神经组织的贴合度并降低异物反应。然而，传统神经接口若非终身植入，则需二次手术取出或长期留体，均带来感染与胶质瘢痕风险。瞬态神经电子学（transient neuroelectronics）通过可定制服役寿命后在体内吸收，提供了替代方案。在可降解材料中，聚乳酸（PLA）已用于皮层记录器件，但迄今尚缺基于可降解材料的脊髓硬膜外刺激器演示。常规微加工依赖光刻掩模、多次沉积与化学刻蚀，门槛高、周期长。为此，研究人员提出一种完全无掩模（maskless）、基于溶液加工与激光烧蚀的三步工艺（溶液浇铸、旋涂、激光图形化），在 clinically established PLA 上制备皮层记录阵列（MEcA）与脊髓刺激阵列（MEsA），填补瞬态脊髓接口空白。该文发表于《Advanced Materials Interfaces》。

主要关键技术方法

研究人员采用水溶聚丙烯酸（PAA）为牺牲层，在玻璃皿上旋涂固化后浇铸 PLA 氯仿溶液，获得自支撑 PLA 绝缘膜（厚 18±1 μm）并经激光烧蚀开窗口；另于第二片 PAA/PLA 上热蒸镀 Ti/Au（5/70 nm）并激光图形化金属层，水脱膜后与绝缘膜光学对齐热封（总厚 30±2 μm）；金电极位点电沉积 PEDOT/PSS（约 555±165 nm）。电化学表征用阻抗谱（EIS）与计时电位法；体外老化在 1 M PBS（pH 7.4, 40°C）中 28 天定期 EIS 监测。体内急性实验：MEcA 在 2 只 Long Evans 大鼠双侧桶状皮层（barrel cortex）硬膜外记录体感诱发电位（SEP）；MEsA 在 4 只 Wistar 大鼠 L1–L3 硬膜外以交叉/线性双极配置施刺激，同步记 EEG 与 EMG 得 SEP/MEP。慢性实验：3 只 Wistar 大鼠颈髓 C5–C7 硬膜外植 MEsA 4 个月，对照 3 只，灌注后取脊髓做免疫荧光（抗 MAP-2、βIII-tubulin、GFAP、ED1、RECA-1、laminin、GAP-43 等）。

研究结果

2.1 瞬态电子神经阵列的设计与增材制备

通过无掩模三层堆叠（PAA/PLA 绝缘膜 + PLA/Ti/Au 金属层 + PEDOT/PSS 涂层）完成 MEcA（1.5×1.5 mm² 工作区，9 圆电极 ?300 μm）与 MEsA（1×4.5 mm² 工作区，11 椭圆电极 500×300 μm）制备，证实工艺可扩展至更大基底/更高密度。

2.2 器件电化学表征

1 kHz 下裸金 MEcA 阻抗 17±7 kΩ、MEsA 12±2 kΩ；PEDOT/PSS 涂层后降至 1.3±0.2 kΩ 与 1.0±0.1 kΩ（降幅约 90%）。涂层电荷存储容量（CSC）MEcA 2.2±0.2 mC cm^?2、MEsA 3.8±0.4 mC cm^?2，安全电位窗 ?0.5~0.7 V；200 μs 双相脉冲下极化电压瞬变较裸金低 15 倍以上，支持短时低电压刺激。

2.3 老化对阵列与 EIS 的影响

1 M PBS 40°C 老化 28 天，MEcA/MesA 阻抗仅微降（约 5%~15%），PEDOT/PSS 膜溶胀（AFM 粗糙度 2.7→17.6 nm）但无金暴露、绝缘层完好；14 天后读数电极数因焊盘劣化略减，活性区功能稳定。

2.4 可降解阵列的双边微型硬膜外皮层脑电

2 只大鼠右侧触须刺激下，对侧桶状皮层 9 通道录得清晰 SEP，SNR 与 Z-score 达 3~10；同侧仅自发活动（SNR≈1）作内对照。顶叶皮层对照无 TTL 相关伪迹，证实记录具空间特异性。

2.5 可降解阵列的脊髓刺激

4 只大鼠 L1–L3 硬膜外施刺激：长距交叉/线性配置比短距更易招募多节段运动神经元，MEP 幅度更大、半最大强度 I_half 更低；SEP 在长距下更强但个体间变异大，短距配置空间聚焦度高。感觉与运动通路可按电极几何选择性激活。

2.6 体内可降解性与生物相容性

3 只大鼠颈髓植 MEsA 4 个月：PLA 基底完全吸收仅余贴脑膜金触点；Hoechst 核计数升 2.5 倍（90→223），GAP-43 升高提示可塑性，GFAP 小升，ED1⁺ 巨噬细胞略增（2→21/视野）但无 vimentin 瘢痕标记上升，RECA-1 血管数略增、laminin 升，无神经元丢失与胶质瘢痕。

讨论与结论翻译

研究人员在讨论中指出，接触焊盘脆性是当前设计最弱环节，但活性区稳定性、老化与急慢性表现已支撑其用于慢性监测原型。结论部分表明：该完全无掩模 PLA 基流程可制解剖适配 MEcA 与 MEsA；PEDOT/PSS 涂层使器件具稳定 EIS 与低电压瞬变；MEcA 急性录得高信噪 SEP，MEsA 按几何选择性招募脊髓感觉/运动通路；4 个月颈髓植入后 PLA 近全降解、仅轻度局部细胞响应无炎症瘢痕；据研究所知，此为首个可降解脊髓硬膜外刺激接口演示。该平台为瞬态神经接口结合了功能表现、生物相容与降解可控性，未来工作将强化电接触界面并验证全降解期纵向记录/刺激范式。