Растягивающаяся микроэлектродная матрица (sMEA) ⇐ Васина Википедия

[wiki_en]

==Обзор==

Как и традиционные МЭА, растягивающиеся МЭА состоят из нескольких тысяч микроэлектродов, которые позволяют регистрировать или стимулировать электрические сигналы от клеток (нейронов, мышц и т. д.), и используются in vivo в живом организме или in vitro в клеточных культурах.

==Теория==

==='''Инновации в материалах'''===
* «Электронные наполнители»: это старейший подход к приданию эластомерному материалу эластичной растяжимости. В принципе, это жесткие и электропроводящие материалы, которые перед отверждением смешивают с эластомерным полимером для создания растягивающихся композитов. Если концентрация электропроводящего наполнителя достаточно высока, они образуют сетчатую перколяционную сеть, которая способствует свободному перемещению носителей заряда (ионов, электронов) через контактные соединения. Минимальная концентрация материала электронного наполнителя, необходимая для создания проводящих путей для транспорта носителей заряда через эластомер Кирилюк А. В., Ван дер Шот П.. «Proc. Natl. Acad. Sci. USA». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки, том. 105, 2008, с. 8221. называется порогом перколяции."Порог перколяции". ScienceDirect, Elsevier, www.sciencedirect.com/topics/engineerin ... -threshold. По состоянию на 10 ноября 2024 г. Порог перколяции обычно указывается как весовой процент (мас. %) или объемный процент (объемный %) материала наполнителя и колеблется от менее 1 мас. % для углеродных нанотрубок с высоким аспектным соотношением до более чем 1 мас. %. 15% масс. Типы наполнителей варьируются от металлов в форме порошка или нанопроволок, углерода в виде графита или нанотрубок до электропроводящих полимеров.
* ''''Волнистые нанопроволоки и наноленты''': Спонтанное образование волнистых узоров из выровненных пряжек, вызванное осаждением тонкой золотой пленки на поверхности эластомера ПДМС, было впервые описано группой Джорджа Уайтсайдса. в Гарвардском университете в 2000 году.Хак, Вильгельм Т.С. и др. «Упорядочение спонтанно образовавшихся пряжек на плоских поверхностях». Ленгмюр, т. 16, нет. 7, 2000, стр. 3497-3501. Золото наносилось на нагретый ПДМС (100 °C), и при охлаждении и связанной с этим термической усадке эластомера пленка золота подвергается сжимающему напряжению, которое снимается. путем создания пряжек. В последующие годы группа Джона Роджерса из Университета Урбана Шампейн (ныне Северо-Западный университет) разработала технологию приклеивания очень тонких кремниевых лент к предварительно растянутой мембране из ПДМС. После расслабления каждого растяжения сжимающее механическое напряжение в кремниевых лентах снимается за счет создания волнистых пряжек в ПДМС. Поскольку кремний является хрупким материалом, ленты должны быть очень тонкими (около 100 нм), чтобы оставаться неповрежденными во время коробления.Ким, Дэ-Хён и Джон А. Роджерс. «Растягивающаяся электроника: стратегии и устройства в области материалов». Расширенные материалы, том. 20, нет. 24, 2008, стр. 4887-4892.
* «Жидкие металлы»: металл или сплав, жидкий при комнатной температуре, можно поместить в ПДМС и использовать в качестве растягивающегося проводника. Ртуть — единственный чистый металл, который находится в жидком состоянии при комнатной температуре, но имеет ограниченное применение из-за своей нейротоксичности. Цезий плавится при 28,5°C, но бурно реагирует на воздухе и поэтому не подходит для этого применения. Поэтому большинство исследователей используют эвтектическую смесь индия и галлия, так называемую EGaIn, которая имеет температуру плавления 15,7°C и состоит из 75,5% галлия и 24,5% индия. Эвтектическая смесь Ga (68,5%), In (21,5%) и Sn (10,0%), также известная как Галинстан, является еще одним популярным выбором и имеет температуру плавления 10,5°C.
* '''Тонкая пленка золота с микротрещинами''': когда тонкая золотая пленка осаждается на PDMS при определенных условияхРастягивающиеся и складные кремниевые интегральные схемы». Публикации ACS, Американское химическое общество, pubs.acs.org/doi/ abs/10.1021/am1002537. По состоянию на 10 ноября 2024 г. на золотой пленке имеются микротрещины. морфологияЛакур, Стефани П. и др. «Механизмы обратимого растяжения тонких металлических пленок на эластомерных подложках». делает золото растягиваемым. Максимальная деформация пленки уменьшается с длиной и увеличивается с шириной. проводник.Graudejus, O., и др. «Разрывная деформация упруго растягивающихся металлических проводников», том 66, № 11, 2012, стр. 919-922. .com/science/article/abs/pii/S1359646212001364. 10 ноября. 2024 год.

==='''Структурный проект'''===
* '''Геометрические узоры, фрактальные узоры''': металлические следы наносятся в определенных узорах, таких как извилистые или змеевидные формы, внутри растягивающейся эластомерной подложки, чтобы выдерживать деформации. Полученная структура похожа на двумерную пружину. Университет Гента и IMEC в Бельгии первыми начали использовать металлические конструкции в форме меандра.Гонсалес, Марио и др. «Проектирование и реализация гибких и расширяемых систем». Микроэлектроника Надежность, вып. 51, нет. 6, 2011, стр. 1069-1076.

** Группа Джона Роджерса увеличила максимальную нагрузку в устройствах, созданных этим подходом, используя структуры на основе фракталов. Эти фрактальные узоры характеризуются самоподобием, т. е. из небольших участков структуры образуются фрагменты с геометрией, напоминающей всю структуру.
**Эти фрактальные узоры включают (i) линии Коха, Пеано, Гильберта, (ii) петли Мура, Вичека и (iii) греческие кресты.Fan, Jonathan A., et al. «Концепции фрактального проектирования растягиваемой электроники». Природные коммуникации, том. 5, 2014, с. 3266.

* «Структуры, вдохновленные оригами, и разрезы киригами»: Жесткие или неэластичные гибкие материалы можно превратить в растягивающиеся материалы, применяя технологию оригами.Чен, Синру и др. «Растягивающийся датчик влажности на основе бумаги-оригами для текстильной носимой электроники». ACS Applied Materials & Interfaces, vol. 14, нет. 32, 2022, стр. 36227-36237.
и вырезы киригами.Сюй, Ренсяо и др. «Сильно растягивающиеся пластыри микросуперконденсаторов в стиле киригами, изготовленные методом лазерной обработки и резки». Микросистемы и наноинженерия, вып. 4, 2018 г., статья 36. 

==История==

В последующие годы количество исследовательских работ, описывающих различные подходы к изготовлению мМЕА и их использованию для исследований in vitro и in vivo, значительно возросло.

==Типы и возможности==
Растягивающиеся микроэлектродные матрицы (sMEA) можно разделить на категории, используются ли они с клетками или срезами тканей в чашке (in vitro) или имплантируются животному или человеку (in vivo).

===Растягивающиеся МЭА in vitro===
ММЕА используются in vitro для регистрации и стимуляции электрофизиологической активности в диссоциированных клетках, срезах тканей или органоидах. Использование sMEA in vitro может включать растяжение клеток. Клетки либо собирают у животных, либо получают из индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток (hiPSC).

Форм-фактор sMEA часто аналогичен жестким MEA, поскольку для обоих типов MEA могут использоваться одни и те же системы сбора данных. Основные различия между мМЭА и жесткими МЭА приведены ниже:
* '''Количество микроэлектродов''': мМЭА обычно имеют 60 или менее микроэлектродов, тогда как жесткие МЭА имеют 60 электродов в стандартной конфигурации, но могут иметь несколько тысяч электродов в КМОП-устройствах.
* '''Диаметр мест записи''': Диаметр места записи обычно составляет 50–100 мкм для sMEA и 10–30 мкм для стеклянных MEA, но может быть менее 10 мкм для CMOS MEA.
* '''Расстояние между микроэлектродами''': Расстояние между микроэлектродами (от центра к центру) обычно превышает 300 мкм для мМЭА и 200 мкм для стеклянных МЭА. но может быть менее 20 мкм в КМОП-МЕА.

Причина этих различий заключается в том, что мМЭА изготавливаются с использованием мягких эластомерных материалов, таких как ПДМС, в качестве подложки и инкапсуляции, которые имеют гораздо более высокий коэффициент теплового расширения и более низкий модуль Юнга, чем жесткие МЭА, построенные на стеклянных, пластиковых или кремниевых (КМОП) подложках. . Эти свойства усложняют выравнивание и соединение небольших элементов. Кроме того, максимальная нагрузка, которую могут выдержать электроды, уменьшается для более узких электродов, поэтому выводы электродов часто бывают широкими, что ограничивает количество электродов.Graudejus, O., et al. «Разрывная деформация упруго растягивающихся металлических проводников в зависимости от размера». Scripta Materialia, том. 66, нет. 11, 2012, стр. 919-922. ММЕА для применения in vitro коммерчески доступны только у компании BioMedical Elastic Electronic Devices.BMSEED. «Интегрированная биомеханика, визуализация и электрофизиология». BMSEED, www.bmseed.com. По состоянию на 10 ноября 2024 г.

====Преимущества====
Использование мягких и растягивающихся МЭБ вместо традиционных жестких или просто гибких МЭБ имеет ряд преимуществ. При использовании традиционных МЭА клетки выращивают на жестком материале-подложке, таком как стекло или пластик. Эта среда сильно отличается от естественной среды клеток организма, что заставляет клетки вести себя иначе in vitro, чем в их естественной среде in vivo. Это серьезная проблема при использовании жестких МЭА для доклинических исследований, поскольку целью доклинических исследований является прогнозирование результатов лечения у людей.
Преимущества использования ММЕА для доклинических исследований двояки. Во-первых, жесткость подложки, на которой выращиваются клетки, более точно соответствует жесткости клеточной среды в организме. Во-вторых, sMEA позволяют подавать на клетки биомеханические сигналы, которые влияют на клеточные функции и поведение. Оба эти преимущества уменьшают несоответствие среды клеток in vitro и в организме человека, т. е. клетки ведут себя in vitro более сходно, чем in vivo, что повышает ценность доклинических исследований для прогнозирования клинических результатов, таким образом потенциально снижение процента неудач клинических исследований (сейчас >95%).

====Недостаток====
Основной недостаток мМЭБ по сравнению с жесткими МЭБ связан с разными технологиями изготовления этих устройств. ММЕА обычно имеют до 60 электродов диаметром от 50 до 100 мкм, где жесткие МЭА на основе КМОП Ячейочно-электронный интерфейс для глубокого доступа к органоидам и тканям». 3Brain, www.3brain.com. По состоянию на 10 ноября 2024 г. может иметь тысячи электродов диаметром 10 мкм. Это означает, что МЭА не подходят для изучения субклеточных структур.

===Растягивающиеся МЭА in vivo===
, спинной мозг Meacham, Kathleen W., et al. «Эластичная многоэлектродная решетка с литографическим рисунком для поверхностной стимуляции спинного мозга». Биомедицинские микроустройства, вып. 10, нет. 2, 2008, стр. 259–269. Ссылка на Springer, link.springer.com/article/10.1007/s10544-007-9132-9. Доступ осуществлен 10 ноября 2024 г., некоторые включают только стимуляцию электрофизиологической активности, а некоторые и то, и другое Rowan, Cami C., et al. «Интерфейс периферических нервов Microclip (μcPNI) для биоэлектронного взаимодействия с мелкими нервами». Передовая наука, том. 8, нет. 24, 2021, с. 2102945. Интернет-библиотека Wiley, onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202102945. По состоянию на 10 ноября 2024 г..

====Преимущества====
Основные преимущества использования sMEA для приложений in vivo двояки. Во-первых, они могут соответствовать динамичным и часто изогнутым поверхностям биологических тканей. Во-вторых, мМЭА вызывают значительно меньшую реакцию на инородное тело, чем жесткие МЭА, из-за меньшего несоответствия механических свойств (жесткости) между имплантатом и тканью.

====Недостаток====
Основным недостатком МЭА для имплантации является механическая прочность по сравнению с жесткими МЭА, что может привести к поломке или разрыву имплантата.

==Приложения==
===Нейронные интерфейсы===
В нейронных интерфейсах sMEA используются для записи и стимуляции нейронной активности. Их растяжимость позволяет им приспосабливаться к поверхности мозга или проникать в нервную ткань, не причиняя значительного ущерба. Это улучшает качество нейронных записей и эффективность нейронной стимуляции, что имеет решающее значение для таких приложений, как интерфейсы «мозг-машина».
===ЭкоГ===
Электрокортикография (ЭкоГ) с растягивающимися МЭА предлагает менее инвазивный метод регистрации электрической активности поверхности мозга. Эти массивы могут соответствовать поверхности коры головного мозга, обеспечивая стабильную запись с высоким разрешением даже во время движений мозга. Эта возможность необходима для таких приложений, как мониторинг эпилепсии и интерфейсов «мозг-компьютер».
===Сердечный мониторинг===
sMEA используются в кардиомониторинге и терапии. Их можно обернуть вокруг сердца, чтобы контролировать электрическую активность или доставлять терапевтические электрические импульсы. Их гибкость гарантирует, что они остаются в контакте с поверхностью сердца, несмотря на его постоянное движение. Это приложение жизненно важно для выявления и лечения аритмий и других заболеваний сердца, обеспечивая мониторинг в реальном времени и точное вмешательство.
===Исследование in vitro===
ММЕА используются в исследованиях in vitro для изучения клеточных реакций в различных механических условиях. Они позволяют контролировать и стимулировать клетки в контролируемой среде, обеспечивая понимание клеточного поведения и механизмов заболеваний. Это приложение особенно полезно при тестировании лекарств и разработке новых методов лечения.
===Мягкая робототехника===
В мягкой робототехнике sMEA создает датчики и исполнительные механизмы, которые могут деформироваться в ответ на внешние силы. Эти приложения используют механическую устойчивость и электрическую функциональность sMEA для разработки роботов, способных перемещаться в сложных средах и выполнять деликатные задачи. Мягкие роботизированные системы, оснащенные ММЕА, могут адаптироваться к различным задачам: от медицинских процедур до промышленной автоматизации.

==Заключение==
Растягивающиеся массивы микроэлектродов представляют собой достижение в биомедицинской инженерии с потенциальным применением в нейронных интерфейсах, кардиомониторинге, исследованиях in vitro и мягкой робототехнике. Усилия в области исследований и разработок по-прежнему направлены на преодоление существующих проблем и полную реализацию потенциала этих устройств.
Для получения дополнительной информации посетите подробный обзор растягивающихся микроэлектродных матриц на [веб-сайте BMSEED] (https://www.bmseed.com/stretchable-meas ... o-research).

==См. также==
* Микроэлектродная решетка
* Биомедицинская инженерия
* Искусственный кардиостимулятор
* Глубокая стимуляция мозга
* Патч-зажим
* Биоэлектроника



Подробнее: https://en.wikipedia.org/wiki/Stretchab ... ray_(sMEA)