一种可自行插入的、直径为5微米的柔性微针，适用于微创且稳定的体内神经记录

《Sensing and Bio-Sensing Research》：A self-insertable 5-μm-diameter flexible microneedle for minimally invasive and stable in vivo neural recording

神经接口技术中的柔性聚酰亚胺微针电极设计及植入效果研究。采用硅VLS生长结合聚酰亚胺包覆工艺制备直径5μm的电极，通过有限元分析验证其机械柔韧性，动物实验表明该电极植入后能显著减少急性组织损伤和慢性胶质瘢痕形成，30天长期记录中信号信噪比提升154%，神经元密度恢复至对照组水平。

　　在现代神经科学和脑机接口技术的发展中，植入式电极扮演着至关重要的角色。这些微电极用于记录大脑内部的神经活动，支持基础研究和临床应用，如监测神经信号、神经疾病诊断以及脑机接口（BCI）和脑机交互（BMI）等。然而，实现长期稳定的神经活动记录仍然是一个巨大的挑战。这主要是由于电极植入过程中对脑组织造成的损伤，包括神经元丢失、异物反应以及神经网络的破坏。传统电极材料如硅（Si）和钨（W）虽然具有良好的电性能，但其刚性结构容易在植入时引发显著的急性组织损伤，且随着时间推移，由于组织炎症反应和胶质瘢痕形成，会导致慢性电极性能下降。因此，开发一种既能减少组织损伤又具备良好电性能的微电极成为当前研究的重点。

为了解决上述问题，研究团队提出了一种基于聚对二甲苯（Parylene）的微针电极。这种电极具有超小型尺寸、机械柔性和无需额外支撑即可插入组织的优势。通过采用硅微针生长技术（VLS生长）并结合聚对二甲苯封装及后续硅芯去除工艺，实现了这一新型电极的制备。这种设计使得电极能够更自然地适应大脑组织的微运动，从而减少因机械不匹配引起的慢性损伤。实验表明，与传统电极相比，该电极在植入后能够显著降低神经元的丢失，保持神经元数量与未植入组织相当，并且其记录质量在植入过程中逐步恢复，表现出优越的长期稳定性。

在实验设计方面，研究者首先通过有限元分析（FEA）对不同材料电极的机械特性进行了模拟，以评估其在组织插入过程中的表现。模拟结果显示，聚对二甲苯微针具有最低的刚度，从而在插入过程中减少了对组织的破坏。此外，通过组织学分析，研究团队进一步验证了这种电极在植入后的效果。结果显示，与硅微针和钨电极相比，聚对二甲苯微针在电极表面附近10微米范围内保留了更多的神经元，与未植入组织（即仅进行颅骨开颅手术的对照组）的神经元密度几乎相同。这表明，该电极在减少组织损伤方面表现出色。同时，通过荧光标记和细胞计数，研究团队还发现聚对二甲苯微针周围非神经元细胞的积累显著减少，进一步支持了其对胶质反应的抑制作用。

在电生理记录方面，研究团队通过在小鼠初级视觉皮层（V1）植入该电极，并结合电极植入后的信号记录实验，评估了其记录质量。结果显示，聚对二甲苯微针在植入后的30天内，不仅在局部场电位（LFP）和动作电位（spike或unit activity）的记录质量上优于传统电极，而且其信噪比（SNR）和放电频率（firing rate）均显著提高。这表明，该电极在长期植入过程中能够有效恢复其记录性能，同时保持周围神经网络的完整性。相比之下，传统电极在植入后，由于异物反应和胶质瘢痕形成，其记录质量会逐渐下降，甚至导致长期功能丧失。

该研究的创新之处在于其对电极材料的选择和结构设计。聚对二甲苯作为一种柔性材料，其低杨氏模量特性使其能够更好地适应大脑组织的弹性，从而减少插入过程中的组织损伤。同时，其无芯结构进一步降低了电极的机械刚度，使电极在插入过程中能够更灵活地变形，减少对组织的应力。此外，电极的超小型设计（5微米针尖直径）也显著降低了对神经网络的干扰，使得其在植入后能够更接近神经元的自然状态，从而提升记录的准确性和可靠性。

在实际应用方面，该电极具有广泛的可能性。由于其对组织的低侵入性，它特别适用于需要保持大脑组织完整性的小动物模型，如新生小鼠或老年小鼠，以及患有血管脆弱性的糖尿病模型。这些模型在神经科学研究中非常重要，尤其是在研究大脑发育和神经退行性疾病（如阿尔茨海默病）方面。此外，该电极的微小尺寸和高柔韧性也为人类临床应用提供了新的思路，特别是在需要微创操作的脑机接口领域。

尽管该研究取得了重要进展，但仍存在一些需要进一步解决的问题。例如，目前电极的针长相对较短，限制了其对深部脑区（如海马体和丘脑）的访问能力。此外，电极的通道数量有限，可能影响对多个脑区的高密度记录。为了克服这些限制，研究团队建议通过优化VLS生长参数，提高针长，并采用阵列电极的制造方法，以增加通道密度。同时，减少聚对二甲苯层的厚度、缩小针基直径以及优化针尖结构，也有助于进一步降低电极的侵入性，提高其在组织中的适应性和记录能力。

总体而言，该研究为开发更先进、更安全的神经接口设备提供了新的方向。通过结合超小型尺寸、机械柔性和自插入能力，这种基于聚对二甲苯的微针电极不仅减少了急性与慢性组织损伤，还显著提升了长期神经活动记录的质量。未来，随着对电极结构和材料的进一步优化，这种电极有望在更广泛的神经科学研究和临床应用中发挥重要作用，为实现高精度、长期稳定的神经信号记录提供坚实的基础。