中国青年学者领衔！最新Nature合作子刊：柔性光电极神经探针的3D集成

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-10-08 08:00

正文

柔性集成电子-光子系统已应用于生物传感、光遗传神经刺激和持续血糖监测等领域。但将电子和光子元件组合在同一狭窄空间的柔性聚合物上一直具有挑战性。近日，达特茅斯学院Hui Fang研究团队在Nature合作子刊《npj Flexible Electronics》上，发表了题目为Flexible electronic-photonic 3D integration from ultrathin polymer chiplets的论文，该工作报道了一种集成柔性电子和光子的新方法，即聚合物芯片级的异质集成 (CHIP)。这种方法可以解决在自定义的柔性聚合物轮廓内集成电子和光子元件以实现灵活的微型化设计和三维空间拓展。CHIP不仅允许在室温下垂直键合带有不同功能的超薄聚合物芯片、正反双面区域利用（无需背面光刻），而且支持三维的多位点结构布局，还能无缝对接不同层多通道的小型化单片I/O接口。该论文共同第一作者为Yunxiang Huang, Gen Li。

作者通过开发一种柔性光电极神经探针来展示其潜力。与T. Kim等人早期发表在《Science》中的多功能柔性光电极神经探针不同。通过CHIP过程策略，该探针不仅具有较窄的宽度，而且集成了可独立寻址的高密度、高分辨率的神经微电极阵列和光遗传神经刺激的微型发光二极管 (μLED, 34 58 7 m³) 阵列以及温度传感器，还采用了独特的屏蔽串扰设计来防止记录过程中的光电噪声伪影。

CHIP集成的柔性探针特点还包括：

· 机械柔韧性: 具有优异的弯曲和抗应变能力，在1000次弯曲后仍能保持性能。

· 脑组织植入: 具有足够的机械强度，无需额外的强化和辅助实现探针植入。

· 器件长期性: 高于人体温度的PBS溶液内浸泡7周后，仍能保持光-电和屏蔽性能。

此外，除了实现生物热安全、低噪声和无伪影的柔性光电极探针，作者还深入探讨了CHIP集成柔性器件的光学和电学输出所引起的伪影机制，助力于实现未来更全面的迭代设计。

工作展望：（1）光标记应用：实现对光遗传学标记神经元的单向/双向精确控制；（2）多模式生物接口应用：可集成电、化学、热、压力和光学传感，实现全面的生物数据收集；（3）慢性脑神经应用：实现长期、特定细胞类型的神经记录和刺激，以及全面3D脑机接口和深部脑刺激疗法等。

动态图1：CHIP集成柔性探针的弯曲展示

动态图2：CHIP集成柔性探针在模拟脑组织中的插入展示

动态图3：CHIP集成柔性探针的阵列光刺激展示

作者介绍：

黄云翔博士，达特茅斯学院博士后，对光电子生物界面、柔性器件的三维结构和生物神经系统多模态监测等研究方向感兴趣。近两年在Nature Biomedical Engineering (封面), PNAS, Science Advances, Nature Communications上以第一作者和共同作者发表研究型论文。

李根博士，达特茅斯学院博士后，从事聚合物功能材料，三维神经探针和生物器件力学理论建模等研究方向。近几年，在相关领域国际期刊上发表SCI研究型论文15篇，其中以第一/共一作者发表10篇。

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