1. Tæknilegur bakgrunnur og mikilvægi

Mjög teygjanleg rafskautafylki með örnálum getur komist í gegnum yfirborðslög líffræðilegra vefja, lagað sig að aflögun af völdum vefjahreyfinga og náð markvissri skynjun og raförvun í lifandi lífverum með lágmarks ífarandi nálgun. Þeir veita stöðugt lífrafrænt viðmót, bæta gæði merkjaupptöku og draga úr vefjaskemmdum, og finna þannig víðtæka notkun í taugavísindum, vefjaverkfræði og lífeindatækni sem hægt er að nota.

Núverandi örnálatækni hefur verulegar takmarkanir: langflestar örnálar skortir teygjanleika og erfitt er að sérsníða breytur eins og lengdardreifingu og greiningarsvæði míkrónála rafskauta á einstökum tækisstigi. Kjarnaástæðurnar liggja í ósamrýmanleika milli framleiðsluferla stífra míkrónála rafskauta og teygjanlegra sveigjanlegra efna, sem og tæknilegra áskorana í efnissamþættingu og mynstri þrívíddar (3D) uppbyggingu míkrónála.

2. Rannsóknarteymi og afreksútgáfa

Rannsóknarhópurinn undir forystu Hangbo Zhao frá geim- og vélaverkfræðideild og lífeðlisfræðideild háskólans í Suður-Kaliforníu (USC) (með Qina Zhao, doktorsnema í deildinni, sem fyrsta höfund), í samvinnu við rannsóknarhópa Rhanor Gillette og Mattia Gazzola frá University of Illinois í Urbana- birti forsíðugrein (UIChamp),Vísindaframfarir. Greinin greinir frá hönnun, framleiðslu og raflífeðlisfræðilegri skynjun nýrrar tegundar af teygjanlegum míkrónála rafskautaflokki, sem getur þjónað sem skilvirkt lífrafrænt tengi. Til dæmis hefur það verið notað til að greina rafvöðvamerki (EMG) í vöðva frá ýmsum vöðvahópum í munnsvæði Aplysia (sjávarhýra).

Rannsóknaráherslan hjá hópi Zhao stafar af áhuga þeirra á vöðvahreyfingum mjúkra-dýra, svo sem að teygja og beygja kolkrabba-tentakla og skrið og næringu sjávarsnigla. Að rannsaka aðferð samræmdrar virkni fjöl-vöðvahópa sem dreift er í þrívíddarrými hefur mikla þýðingu á sviði líffræði, líffræði og vélfærafræði.

3. Kjarna tækninýjungar

Hybrid Manufacturing Scheme: Einstök framleiðsluaðferð sem sameinar laserætingu, örgerð og flutningsprentun er notuð til að búa til mjög teygjanlegt (með teygjuhlutfalli upp á 60%-90%) og sértækt rafskautaflokk sem hægt er að meðhöndla fyrir sig. Með ódýrum og stigstæranlegum ferlum er hægt að aðlaga formgerð, lengd, greiningarsvæði, viðnám og uppsetningu míkrónála rafskautanna á sveigjanlegan hátt.

Reglugerð um rafskautsgreiningarsvæði: Ný 3D hýdrógelætsunaraðferð er fundin upp, sem gerir sértæka ætingu á örnálum á nokkrum sekúndum kleift, sem tryggir að aðeins endasvæði rafskautsins haldist leiðandi. Með hydrogel-efnafræðilegri ætingartækni er hægt að stilla greiningarsvæði rafskautsoddsins nákvæmlega fyrir örnálar af mismunandi lengd og greina þannig merki vefja á mismunandi dýpi.

Byggingar- og efnishönnun: Míkrónála rafskautafylkingin samanstendur af pólýimíð míkrónálarskautum og teygjanlegum tengivírum. Eftir að hafa verið húðuð með gullleiðandi lagi er það samgilt tengt við sílikon teygjanleika, sem tryggir ekki aðeins mikla teygjanleika heldur forðast einnig flögnunarvandamál við notkun.

Skýringarmynd af framleiðsluskrefum fyrir teygjanlegar míkrónálar rafskautafylki.

Teygjanleikaprófun á teygjanlegum míkrónála rafskautaflokkum

4. Tilraunaprófun og áhrif

Tilraunasviðsmynd: Í tilrauninni með að greina EMG merki í vöðva frá munnsvæði einangraðrar Aplysia, voru míkrónálar rafskaut af mismunandi lengd sett í mismunandi vöðvahópa. Rafskautin gætu fylgst með aflögun munnvöðva og skráð EMG merki frá hverjum vöðvahópi á stöðugan hátt.

Árangurssamanburður: Samanborið við yfirborðs-EMG-merki sem skráð eru með planar microneedle rafskautsfylkingum, eru EMG-merki í vöðva sem tekin eru upp af þessari teygjanlegu microneedle rafskaut sterkari og sértækari. Þetta sannar að það getur á áhrifaríkan hátt greint merki frá djúpum virkum vefjum í lifandi lífverum og getur einnig verið notað sem tæki til raförvunar á djúpvef, sem veitir stuðning við líffræðilegar og taugavísindarannsóknir.

Staðfesting á kjarnagetu: Tilraunin sýnir að fullu að þetta míkrónálar rafskaut hefur getu til að þjóna sem þrívíddar lífrafrænt tengi, sem kemur jafnvægi á burðarstífni og efnissveigjanleika míkrónálanna. Tiltölulega mikil stífni gerir það kleift að setja það stöðugt inn í líffræðilega vefi, en mikil teygjanleiki tryggir þétt viðloðun við mjúkan og hreyfanlegan líffræðilegan vef.

In vitro mælingar á rafvöðvamerkjum í vöðva og yfirborði í augnvöðvum Aplysia voru gerðar með því að nota teygjanlegar míkrónálar rafskautar og flatar örrafskautar.

Þessi tilraunadæmi sýna fram á getu þessara míkrónála rafskauta til að þjóna sem 3D lífrænt-rafrænt tengi.

5. Umsóknarhorfur um árangur

Sem háþróað lífrafrænt viðmót hefur þetta teygjanlega míkrónála rafskautafylki hugsanlegt notkunargildi á mörgum sviðum:

Raflífeðlisfræðileg skynjun á sviði heila-tölvuviðmóta;

Rafefnafræðileg skynjun á millivefsvökva í húð;

Raförvun á tauga- og vöðvavef.

6. Aðgangur að blaðinu

Tengill á viðeigandi rannsóknarritgerð: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn7202