【肌肉内肌电图的体外记录】


微针的大伸缩性和相对较高的模量使SMNEA平台非常适合记录动态运动组织内的电生理信号，如肌肉内肌电图。海洋软体动物Aplysia californica的颊肿块是一个模型，其中包含负责进食、咬合和吞咽的不同肌肉群的密集组合。本研究演示了如何应用SMNEA从孤立、动态的Plysia颊块感测肌肉内肌电图。I1/I3和I2肌肉群以及一个被动铰链是颊块的主要组成部分，它们共同作用压缩桡骨/齿突（齿状舌和移动齿状舌的肌肉）以进行进食。在图5A所示的回缩周期中，I2肌肉放松，I1/I3肌肉收缩，将桡骨/噬齿肌向后推。结果，桡骨表面向后旋转，接近食道入口。之后，当I1/I3和I2肌肉全部松弛时，桡骨/颌骨旋转回原来的位置，颊面恢复到静止状态。


将带有不同长度微针（0.4至1.5毫米）的八通道SMNEA装置纵向连接到分离的颊肿块上，微针电极插入肌肉组织（图5B）。在SMNEA和颊肿块表面之间使用水凝胶生物粘合剂可确保装置与颊肿块的稳定粘附。在典型的回缩运动周期中，存在三个不同的阶段：收缩、放松和静止（图5A）。在第一阶段（第一阶段），颊前部肿块随着I1/I3肌肉的收缩和I2肌肉的放松而缩回。因此，前端直径（R）减小，而从口腔到食道的长度（L）增加（图5C）。在第二阶段，随着I1/I3和I2肌肉的放松，颊前肌群膨胀，导致L和R发生相反的变化。在第三阶段，随着I1/I3和I2肌肉群的放松，颊前肌群处于静止状态。可拉伸SMNEA在整个运动周期中跟随颊块的变形。记录实验结束后，通过制备含有微针电极的颊肿块切片并对其进行保形显微成像，确定微针电极和特定肌群的位置（图5D）。编号为1至4的相对较长的微针电极（长度约为1.5毫米）插入I1/I3肌肉，编号为5至8的短微针电极（长度约为0.4至0.8毫米）插入I2肌肉（图5E），其暴露的尖端为活动记录点。从SMNEA的1至4号电极记录到的肌内肌电信号（图5F）和相应的功率谱密度图显示，在第一阶段，当I1/I3肌肉收缩和I2肌肉放松时，振幅明显高于从5至8号电极记录到的振幅。在第二阶段和第三阶段，I1/I3和I2肌肉都处于放松状态，EMG信号的振幅下降。图5H中的功率谱分析显示，第一阶段的峰值振幅集中在5到20赫兹之间，这是plysia肌内肌电图的特征。



2.总结与展望


本研究开发了一种可扩展的制造方法，用于制造具有高器件伸展性和定制性的微针电极阵列。通过将激光微加工、成型、微细加工和转移印刷独特地结合在一起，可以实现具有各种几何形状和阵列布局的可单独寻址微针电极，以及较大的机械伸展性。凝胶辅助化学蚀刻工艺可方便地控制局部活性电极区域。电极配置的定制化是定向传感或刺激的理想选择。例如，这些具有空间可控长度的穿透电极可到达大脑皮层电路结构多层的不同深度，或可进入单个神经束，对周围神经进行选择性刺激。相对较高的微针模量使其能够稳健地插入目标组织，电极阵列的可拉伸性确保了以微创方式与柔软、动态移动的组织进行亲密的生物界面接触。这些特性使SMNEA成为在生物组织内部进行体外或体内传感或刺激的理想平台，正如在Plysia的颊肿块中进行肌内EMG记录的例子所证明的那样。这种SMNEA平台可应用于脑机接口的电生理传感、皮肤间质的电化学传感以及神经和肌肉的电刺激。通过优化蛇形互连，可以实现更高的电极密度。SMNEA的柔软性和可拉伸性使其有可能适用于测量具有较大和快速变形的动态组织，也适用于长期使用，这可能需要稳定的界面粘附到目标组织上。可穿透、可拉伸的微针阵列还可与先进的传感器、光学、光电子学和微流体技术相结合，实现各种传感和调制功能，包括体液提取、光导辅助光学治疗、光遗传学和靶向给药等。


文章来源：


https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn7202



可拉伸微针电极阵列（SMNEAs）的设计、制造、特性表征和应用（一）

可拉伸微针电极阵列（SMNEAs）的设计、制造、特性表征和应用（二）

可拉伸微针电极阵列（SMNEAs）的设计、制造、特性表征和应用（三）