Nat Sensors?|?謝曦團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)射頻輔助植入柔性微電極技術(shù)

近日，中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院謝曦教授團(tuán)隊(duì)在NatureSensors期刊上發(fā)表了文章Soft implantation of flexible electronic hairs via tip-focused radiofrequency perforation for in-tissue electrophysiology，提出了一種基于“尖端聚焦射頻穿孔”的柔性微電極“軟植入”策略，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需手術(shù)或針頭輔助，即可將柔性電極絲直接植入高密度生物組織（如皮膚與肌肉）內(nèi)部。人類(lèi)歷史上一直靠剛性針頭插入生物組織，本工作首次實(shí)現(xiàn)了將柔性微電極不靠針頭直接插入在皮肉組織里。該方法在動(dòng)物模型驗(yàn)證了其 良好 相容性與穩(wěn)定 的 電 耦合 性能，為半植入式可穿戴電生理設(shè)備、神經(jīng)肌肉康復(fù)治療及智能假肢控制提供新的 技術(shù)路徑 。

柔性植入式微電極具有出色的機(jī)械順應(yīng)性，能適應(yīng)生物組織和肌肉活動(dòng)，有望實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期可穿戴的深層組織肌電圖記錄與刺激。柔性微絲電極的植入通常需要侵入性手術(shù)或尖銳剛性針頭輔助插入，存在出血、微電極與組織耦合松動(dòng)、以及微電極側(cè)壁粘合劑固定不相容等問(wèn)題。 尤其對(duì)于肌肉等高模量組織，傳統(tǒng)柔性電極難以直接插入，需借助剛性針管輔助，這與柔性材料的本征順應(yīng)性相矛盾。針對(duì)上述 難題 ，謝曦團(tuán)隊(duì)提出了一種射頻熱穿孔 輔助 柔性電極 微 絲 直接插入生物組織的新技術(shù)。該“射頻 軟植入 柔性電極 ” 技術(shù)的原理，是 通過(guò)在柔性電子絲尖端施加局部化射頻電場(chǎng)，在組織中形成僅數(shù)十微米范圍的瞬時(shí)熱穿孔，使 柔性微 電極能夠以極微創(chuàng)的方式 便捷地插入 組織內(nèi)部 。射頻效應(yīng)還能避免電極插入引起 出血 ， 具有 良好的 生物相容性和緊密 的 生物電耦合效應(yīng) ，適用于活體深部組織的電信號(hào)記錄或者電刺激應(yīng)用。 由于植入后的 微電極 絲直徑細(xì)、柔性高，其形態(tài)與生物毛發(fā)相似，因此研究團(tuán)隊(duì)將其形象地命名為“柔性電子毛發(fā)”。

研究團(tuán)隊(duì)基于可控射頻耦合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)柔性電子毛發(fā)尖端射頻功率與穿孔 能量 的精確調(diào)控。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，局部電場(chǎng)誘導(dǎo)的熱效應(yīng)高度局限 化 ，僅在組織表層產(chǎn)生暫態(tài)微孔并 能若干小時(shí)內(nèi) 恢復(fù)組織完整性。通過(guò)進(jìn)一步在電極側(cè)壁修飾可溶性支撐層與生物黏附涂層 ， 柔性電子毛發(fā)可在組織內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)固錨定和 緊密 電信號(hào)耦合。與傳統(tǒng)針式電極相比， 尖端聚焦射頻 技術(shù)賦予柔性電子毛發(fā)以下突出優(yōu)勢(shì)：1 ） 無(wú)出血、低損傷：射頻穿孔形成的微熱通道有效避免機(jī)械撕裂；2 ） 高順應(yīng)性與長(zhǎng)期穩(wěn)定性：柔性電絲可與組織協(xié)同運(yùn)動(dòng)，減少電極位移與界面松動(dòng) ；3） 即插即用的半植入應(yīng)用：無(wú)需縫合或固定即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定記錄與電刺激；4 ） 良好的可擴(kuò)展性：可兼容多通道陣列與多種柔性電極材料體系。

團(tuán)隊(duì)在大鼠、兔子、豬 和 青蛙等動(dòng)物模型中驗(yàn)證了 尖端聚焦射頻 技術(shù)的可行性與生物安全性。植入后的柔性電子毛發(fā)能夠穩(wěn)定采集高信噪比的肌電信號(hào)，并在 機(jī)器學(xué)習(xí)輔助 解碼下實(shí)現(xiàn)肢體運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)及假肢控制。組織學(xué)、分子生物學(xué)及行為學(xué)分析均表明， 尖端聚焦射頻技術(shù) 植入過(guò)程對(duì)組織損傷極小、炎癥反應(yīng)輕微，且長(zhǎng)期植入后電極-組織界面阻抗穩(wěn)定。 這種“射頻輔助 軟植入” 方法， 為柔性 電極 在高模量組織中的直接植入提供了通用技術(shù)平臺(tái)， 具有 在可穿戴電生理監(jiān)測(cè)、智能康復(fù)及人機(jī)交互等方向的 潛在 應(yīng)用前景。

圖 1：柔性電子毛發(fā)尖端聚焦射頻穿孔生物組織的技術(shù)示意圖

謝曦教授為 本論文的唯一 通訊作者 ，黃爽博士、黃新?tīng)q博士以及姚傳捷為共同第一作者 。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s44460-025-00004-0

制版人： 十一

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