磁控液態(tài)金屬電極用于腦器官的電生理分析

本文介紹了一項(xiàng)創(chuàng)新研究，開發(fā)了一種磁可重構(gòu)的3D液態(tài)金屬多電極陣列，用于腦器官的電生理分析。腦器官作為人類大腦的3D模型，在神經(jīng)科學(xué)研究中具有重要價(jià)值，但傳統(tǒng)電生理記錄方法存在侵入性強(qiáng)、記錄點(diǎn)有限等問題。該研究通過直接打印液態(tài)金屬形成軟質(zhì)電極，實(shí)現(xiàn)了對腦器官內(nèi)部神經(jīng)信號的時(shí)空記錄，并利用磁性控制使單個(gè)電極能夠檢測多個(gè)點(diǎn)位，從而在不增加電極數(shù)量的情況下提高記錄密度。這種方法最小化了對器官結(jié)構(gòu)的損傷，支持長期監(jiān)測，為理解腦器官的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能提供了新工具。

本研究的重大發(fā)現(xiàn)由Enji Kim、Eunseon Jeong、Yeon-Mi Hong、Inhea Jeong、Junghoon Kim、Yong Won Kwon、Young-Geun Park、Jin Lee、Suah Choi、Ju-Young Kim、Jae-Hyun Lee、Seung-Woo Cho和Jang-Ung Park共同完成。論文題為“Magnetically reshapable 3D multi-electrode arrays of liquid metals for electrophysiological analysis of brain organoids”，于2025年2月27日在《Nature Communications》期刊上在線發(fā)表。

重要發(fā)現(xiàn)
01液態(tài)金屬3D電極的制備與特性
本研究的核心是開發(fā)了一種基于液態(tài)金屬的3D多電極陣列。液態(tài)金屬采用共晶鎵銦合金，其在室溫下為液態(tài)，楊氏模量與腦器官相近，確保了機(jī)械軟性和生物相容性。通過氣動(dòng)控制的直接打印技術(shù)，使用內(nèi)徑18微米的玻璃毛細(xì)管噴嘴，在基底上打印出高度可調(diào)的3D柱狀電極。打印速度可精確控制電極高度，從而定制電極在器官內(nèi)部的空間位置。電極側(cè)壁用聚對二甲苯-C絕緣層封裝，僅露出尖端區(qū)域，并通過電沉積鉑納米簇降低阻抗，提高信號質(zhì)量。阻抗測試顯示，鉑修飾后的電極阻抗比未修飾電極降低四倍，信號讀取更穩(wěn)定。此外，電極陣列可集成到高通量平臺中，同時(shí)監(jiān)測多個(gè)器官，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)的靈活性。

創(chuàng)新與亮點(diǎn)
本研究突破了傳統(tǒng)電生理記錄的難題。傳統(tǒng)方法如剛性電極插入會(huì)損傷器官結(jié)構(gòu)，而表面電極僅能記錄截面信號，無法捕捉3D體積內(nèi)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。本論文提出的液態(tài)金屬3D電極通過軟質(zhì)材料和可定制打印，實(shí)現(xiàn)了最小侵入性記錄，解決了器官完整性保護(hù)的挑戰(zhàn)。

在技術(shù)層面，研究創(chuàng)新性地應(yīng)用了液態(tài)金屬直接打印和磁可重構(gòu)技術(shù)。液態(tài)金屬的流變性允許高分辨率成型，電極尖端尺寸與細(xì)胞尺度匹配，減少了機(jī)械模量不匹配引起的損傷。磁性控制則利用外部磁場精確調(diào)整電極位置，無需物理添加電極即可擴(kuò)展記錄范圍，這是一種新型的動(dòng)態(tài)監(jiān)測策略。

總結(jié)與展望
本研究成功開發(fā)了磁可重構(gòu)3D液態(tài)金屬多電極陣列，實(shí)現(xiàn)了對腦器官內(nèi)部電生理信號的高效記錄。軟質(zhì)電極和磁性控制技術(shù)最小化了侵入性，并允許單電極多點(diǎn)檢測，為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析提供了新途徑。未來，可通過優(yōu)化打印系統(tǒng)提高生產(chǎn)效率，并應(yīng)用于更復(fù)雜的器官模型或體內(nèi)研究，以進(jìn)一步驗(yàn)證其生物醫(yī)學(xué)價(jià)值。隨著腦器官技術(shù)的成熟，這種方法有望成為神經(jīng)科學(xué)和藥物開發(fā)中的重要工具，為理解大腦功能開辟新視野。

DOI:10.1038/s41467-024-55752-3.