Микроэлектродные матрицы (МЭМ) широко используются для регистрации активности мозга и стимуляции нервных тканей. Однако обычные МЭМ обычно плоские, что ограничивает их способность соответствовать естественным изгибам нервных структур. Существующие методы добавления трехмерных функций требуют нескольких этапов изготовления, что увеличивает сложность и ограничивает возможности проектирования.

Чтобы преодолеть эти ограничения, группа под руководством доцента Джунсу Чонга и доцента Кёнсика Эома разработала μETF, вдохновленную термоформованием пластика, распространенной техникой формования пластиковых листов в различные формы. Их выводы опубликованы онлайн 22 января 2025 года в журнале npj Flexible Electronics .

«Идея этого исследования возникла из простого наблюдения за пластиковыми крышками на стаканчиках для кофе на вынос. Я понял, что этот метод формования пластика можно применять на микроскопическом уровне для создания трехмерных структур для нейронных электродов», — говорит доктор Чонг.

Метод μETF включает нагревание тонкого гибкого полимерного листа со встроенными микроэлектродами и прижатие его к 3D-печатной форме. Исследователи использовали жидкокристаллический полимер (ЖКП) в качестве субстрата из-за его механической прочности, биосовместимости и долговременной стабильности. Этот процесс формирует точные выступающие и углубленные структуры, увеличивая близость электрода к целевым нейронам, сохраняя при этом его электрические свойства.

В отличие от традиционных подходов к микрообработке, технология μETF упрощает изготовление и позволяет создавать широкий спектр сложных трехмерных структур, включая скважины, купола, стенки и треугольные элементы, — и все это в рамках одного МЭБ.

В концептуальном исследовании ученые применили μETF для разработки 3D MEA, оптимизированного для стимуляции сетчатки у слепых пациентов. Вычислительное моделирование и лабораторные эксперименты показали, что 3D-электроды снизили пороги стимуляции в 1,7 раза и улучшили пространственное разрешение в 2,2 раза по сравнению с традиционными плоскими электродами.

«Наши трехмерные структуры приближают электроды к целевым нейронам, делая стимуляцию более эффективной и точной», — объясняет доктор Эом.

Помимо стимуляции сетчатки, исследователи видят, что μETF используется в различных нейронных интерфейсах, в том числе для мозга, спинного мозга , улитки и периферических нервов, отмечает доктор Чонг. Метод способен создавать разнообразные трехмерные структуры, включая колодцы, купола, стенки и треугольные элементы, что позволяет создавать индивидуальные конструкции электродов для различных нейронных сред.

Одно из перспективных будущих применений этой технологии — интерфейсы мозг-компьютер (BCI), которые могут помочь восстановить движение у парализованных пациентов. Имплантируя трехмерные нейронные электродные массивы в двигательную кору , мы могли бы декодировать нейронные сигналы и переводить их в физические действия, например, управлять роботизированными руками или инвалидными колясками.

Универсальность μETF выходит за рамки нейронных интерфейсов. Исследовательская группа изучает его потенциал в носимой электронике, органоидных исследованиях и системах «лаборатория на чипе», где точные 3D-микроструктуры могут улучшить функциональность устройств. Следующий шаг включает в себя совершенствование методов изготовления для более широких медицинских приложений.

Благодаря своей способности улучшать нейронную регистрацию и стимуляцию, а также упрощать изготовление, μETF представляет собой значительный прогресс в области нейропротезирования и методов нейронной реабилитации.