南科大蒋兴宇教授ACS Nano：新型弹性石墨烯微针网状接口实现神经类器官高精度电生理监测

在当今生物医学研究中，神经类器官作为三维自组织组织模型，能够模拟人脑发育和疾病机制，已成为研究神经系统功能的重要平台。然而，类器官表面高度不规则、形态多变，传统二维电极难以实现稳定、全面的电生理记录，严重限制了对其神经网络行为的深入探索。如何在保护类器官结构完整性的同时，实现高效、多点的电生理信号采集，成为当前领域面临的一大挑战。

近日，南方科技大学蒋兴宇教授课题组提出了一种名为“MESH-GRIP”的弹性微针-网状电极接口，成功解决了上述难题。该设备通过微流控图案化技术，将石墨烯微针与液态金属-聚合物导体集成于可拉伸的热塑性聚氨酯网状结构中，实现了在200%应变下仍保持结构完整性的高性能电极阵列。实验表明，该接口能够有效记录神经类器官的自发与刺激诱发活动，激活通道比例超过60%，显著优于传统平面电极，为三维神经网络研究提供了全新工具。相关论文以“Elastic Thermoplastic Polyurethane/Graphene Microneedle-Mesh Interfaces via Microfluidic Patterning for Electrophysiology in Neural Organoids”为题，发表ACS Nano上，论文第一作者为Wu Yan。

研究团队通过三步工艺完成了MESH-GRIP的制备。首先，利用3D打印模具制作具有微针和电路结构的PDMS模板，通过真空辅助注入石墨烯浆料形成微针导电层，再填充液态金属墨水构建互联电路。随后，将TPU溶液注入网状微流道中，经溶剂蒸发形成柔性基底，并将导电电路转移至该基底上。最后，采用海藻酸钠作为牺牲层保护微针尖端，通过PDMS封装互联部分，溶解海藻酸钠后暴露石墨烯微针，完成器件的制备。整个过程实现了低成本、可重复的微针-网状电极集成。

图1. MESH-GRIP的制备过程 （a）导电层制备示意图：石墨烯浆料与EGaIn墨水填充微流道。 （b）PDMS模板。互联与微针嵌入网状结构中。 （c）网状TPU基底制备：TPU溶液侧向注入PDMS模板，溶剂蒸发形成柔性基底。将TPU基底从PDMS模板，转移嵌入TPU基质中的MPC互联与石墨烯微针。比例尺：500 μm。 （d）封装策略：在微针尖端涂覆水溶性海藻酸钠作为牺牲保护层，随后通过PDMS渗透扩散与热固化封装互联部分。海藻酸钠层最终在水中溶解，使石墨烯电极暴露，MPC互联部分被绝缘封装。 （e）溶解前包裹微针的透明海藻酸钠薄膜光学图像（红色箭头指示）。比例尺：左200 μm，右100 μm。截面图像见图S3。

在器件表征中，扫描电子显微镜图像显示，封装后的MPC互联部分被PDMS层完整包裹，而石墨烯微针保持暴露状态。经过2000次循环拉伸后，器件结构未见明显损伤，液态金属未发生泄漏。微针在受力后能迅速恢复原状，展现了优异的弹性。电化学阻抗测试表明，电极在1kHz频率下平均阻抗为139.83 kΩ，且在循环拉伸后阻抗进一步下降，说明其导电性能稳定可靠，适用于高保真神经信号记录。

图2. MESH-GRIP器件的性能表征 （a）封装前SEM图像：嵌入液态金属颗粒的MPC互联形成于网状TPU基底上；侧视图显示微针几何结构。比例尺：100 μm。 （b）封装后SEM图像：MPC互联被PDMS层包裹，微针保持暴露。比例尺：100 μm。 （c）循环拉伸后表面形貌SEM图像。比例尺：50 μm。 （d）微针在镊子诱导变形后恢复过程的连续图像。比例尺：200 μm。 （e）在器件连续拉伸至200%应变时，石墨烯微针与MPC互联保持物理连接。比例尺：200 μm。 （f）电极在拉伸2000次前后的电化学阻抗谱。

研究中使用的皮质与脊髓类器官在培养过程中展现出典型的神经上皮结构和神经元迁移特征。类器官表面呈不规则起伏，尤其在融合为“皮质-脊髓组装体”后，形态更为复杂。荧光标记实验证实，不同来源的神经元之间形成了功能性轴突连接，进一步凸显了三维神经网络模型的生理相关性。

图3. 神经类器官与皮质-脊髓组装体 （a）皮质类器官在不同发育阶段的形态演变。比例尺：200 μm。 （b）皮质类器官内的神经玫瑰花结结构（PAX6⁺/SOX2⁺细胞），显示神经上皮模式。比例尺：50 μm。 （c,d）皮质与脊髓类器官融合过程。比例尺：200 μm。 （e）荧光标记的皮质-脊髓组装体（EGFP：皮质神经元；mApple：脊髓神经元），显示类器官间轴突连接。比例尺：200 μm。

将MESH-GRIP与类器官集成后，器件通过重力自对准使类器官稳定坐落在电极上，并保持与培养基的充分接触。活死细胞染色显示，类器官在电极上培养一周后细胞存活率与常规培养无显著差异，证明了该接口的良好生物相容性。共聚焦成像进一步确认，类器官与电极表面之间存在约100微米的间隙，与微针高度一致，且未发现穿刺损伤，说明微针在增强接触的同时未破坏组织完整性。

图4. 神经类器官与MESH-GRIP器件的集成 （a）皮质类器官培养于MESH-GRIP上的代表性图像及底部视角显微镜图像（曝光1秒）。比例尺：200 μm。 （b）皮质-脊髓组装体与MESH-GRIP的集成图像。比例尺：200 μm。 （c）生物相容性评估：在MESH-GRIP上培养一周的类器官与常规培养的类器官均仅见少量死细胞，两者无显著差异。比例尺：100 μm。 （d）MESH-GRIP组装结构的截面视图，显示类器官表面与电极基底之间存在明显间隙。 （e）DAPI染色类器官在MESH-GRIP上的共聚焦Z-stack扫描图像。正交视图（下与右）沿虚线框显示界面间隙的保留。比例尺：300 μm。

在信号采集方面，MESH-GRIP成功捕获了类器官的自发神经活动，信号幅度在100–150 μV之间，信噪比达10–20 dB。在谷氨酸刺激后，电极检测到神经元放电活动显著增强，并通过电极空间定位实现了神经活动的二维分布重建。与商用平面电极相比，MESH-GRIP的激活通道比例提升至60%以上，且无需类器官预粘附或外部固定装置，避免了对三维网络结构的机械干扰。

图5. 信号采集性能 （a）左：单个神经锋电位的连续记录；右：同一通道捕获的多个锋电位波形。 （b）各通道的信噪比分布。 （c）谷氨酸刺激前后32个电极记录的锋电位对比。MESH-GRIP检测到谷氨酸诱导的神经活动增强。 （d）不同电极记录的锋电位波形及其空间位置对应关系。比例尺：200 μm。 （e）商用平面MEA与MESH-GRIP在类器官覆盖通道中的激活通道比例对比。

总之，MESH-GRIP通过弹性微针与网状导体的协同设计，成功实现了对不规则神经类器官的高质量电生理接口。该技术不仅具备良好的生物相容性与机械适应性，其微流控制备策略也显示出高度的可扩展性与定制潜力。未来，通过结合自动化工艺与血管化灌注系统，这一平台有望推动类器官模型从静态观察向动态交互研究范式转变，为神经科学和疾病建模提供更强大的工具。

来源：高分子科学前沿

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