開發有效、實時監測和調節生物對象內部環境的技術對于許多生物醫學工程和科學應用，包括藥物輸送、電生理記錄和細胞內活動的調節，具有重要意義。半植入式生物電子是當前生物醫學工程研究領域的一個熱點，因為它不僅滿足了對生物活動進行精確檢測或調節的日益增長的技術需求，而且為外部整合復雜功能和電子集成提供了一個理想的平臺。盡管與廣受好評的無創生物電子和完全植入式生物電子相比，半植入式生物電子的定義和總結較少，但它已成為推動生物芯片和智能可穿戴設備發展的高度獨特的技術。

中山大學謝曦教授等于Nano-Micro Letters期刊發表了題為“Semi-Implantable Bioelectronics”的綜述文章，提出了“半植入式生物電子”的概念，總結了半植入式電子在細胞應用和體內應用的原理和策略，討論了進入細胞內環境或體內環境的典型方法、生物安全方面和典型應用，對于深入理解設計原則、材料制造技術、設備集成工藝、細胞/組織滲透方法、生物安全方面以及對未來微創生物電子發展至關重要的應用策略具有重要意義。“半植入式生物電子”，指的是可以進入生物對象（如細胞、組織或動物/人體）內部環境的功能或電子裝置，而連接的散裝裝置仍保留在生物對象的表面。與其他生物電子（如可穿戴生物電子或完全植入式生物電子）相比，半植入式生物電子建立了一個平臺，可以精確檢測或調節生物對象內部的生物活動，并通過電子集成實現外部整合功能。

圖文導讀

1.用于探測單個細胞內環境的半植入式單納米線結構

近幾十年來，通過先進的微/納米制造技術，出現了大量納米設備，以便于以半植入方式進入細胞內區域。尤其是一維納米結構（例如，納米線、納米線、納米管、納米柱）能夠穿透細胞通過其尖銳納米尖端的局部高壓形成的薄膜，如圖1所示。原子力顯微鏡（AFM）或微操作器是協助單納米探針設備（如納米線）記錄和調節細胞內活動的常用工具。在單細胞中進行高時空分辨率的傳感和操作對于探索細胞微/納米環境、檢測細胞內生化指標以及以亞細胞/納米尺度揭示細胞間差異具有重要意義。

圖1 （a）（i）-（ii）同軸AFM探針的SEM圖像。（iii）使用DENT提取的單細胞mRNA的操作。（iv）圖中表示β-肌動蛋白mRNA的場開和場關。（v）檢測GAPDH和HPRT。（b）（i）-（ii）一個現成的裝置和一個順式結構的雙重扭結納米線的SEM圖像。（iii）從心肌細胞單層記錄的示意圖。（iv）從跳動的心肌細胞進行細胞外和細胞內的電記錄。（v）穩態的細胞內記錄。（c）（i）硅納米線上的納米管的SEM圖像。（ii）-（iii）反映細胞外記錄的代表性痕跡。（iv）細胞內記錄的峰值的放大圖。（v）同時記錄兩個裝置的細胞外和細胞內的電信號。（d）（i）-（ii）細胞內窺鏡與玻璃移液器的比較。（iii）HeLa細胞（左）被玻璃移液器詢問，原代大鼠肝細胞核被納米管內窺鏡詢問。（iv）-（v）分別裝有100和50nm碳納米管尖端的內窺鏡的SEM圖像。（vi）帶有碳納米管尖端的玻璃吸管的光學圖像。

2.用于同時探測多個細胞內環境的半植入式納米線陣列

因為單納米線器件吞吐量較低難以對許多單個細胞同步執行操作的特點，所以單納米線器件的廣泛應用受到阻礙。為了解決這一限制，垂直排列的納米線陣列為大規模和高通量的細胞提供了一個獨特的平臺，甚至可以進行單細胞操作。基于尖銳納米尖端處的細胞力，細胞納米結構界面可以自發地在細胞膜上形成局部更高的張力。在實際應用中，垂直納米線器件甚至可以基于其3D銳利的特性穿透細胞膜。

圖2 （a）（i）硅納米線陣列的SEM圖像。（ii）熒光圖像顯示納米線陣列+TENG、平坦+TENG和納米線陣列經10kD葡聚糖-FITC輸送處理后的組織切片。（b）BNS陣列的SEM圖像，以及用BNS陣列構建的電穿孔系統捕獲癌細胞后的細胞輸送和原位提取示意圖。（c）VNEA的SEM圖像和大鼠皮質神經元在其上培養后的DIC顯微照片。行動電位是用貼片吸管（藍色）刺激的，并由VNEA墊在Faradaic模式（品紅色）下記錄。

3.基于半植入式納米器件的誘發細胞膜穿透方法

為了提高穿透效率，人們開發了其他輔助策略，如電穿孔、光修復、化學涂層或機械力來提高細胞穿透。許多工作已經證明，脂質膜可以通過應用外力（如力、電和光）以及化學制劑與垂直納米線裝置耦合而被滲透。耦合外力進行細胞滲透的三種主要輔助策略擁有各自的優勢和劣勢。電穿孔耦合可以導致細胞膜上納米孔的誘導，但可能會破壞細胞活動，而且納米孔的重新封閉會妨礙長期記錄。用垂直納米線進行光化耦合可以防止電干擾的缺陷，但存在低通量調節的問題。用納米線在細胞上施加外部機械力似乎是增加膜滲透的直接方法，但滲透效率相對低于電穿孔或光穿孔方法。

圖3 （a）（i）在電穿孔之前，記錄的動作電位顯示細胞外信號。電穿孔后，細胞內信號振幅增加100倍以上。（ii）納米柱電極電穿孔細胞膜的示意圖。（b）U-NWFET探針的細胞內記錄圖。（i）一種內部化的短溝道U-NWFET，在細胞膜上具有高電阻密封，用于高振幅記錄。（ii）部分封閉/內化的U-NWFET具有更長的通道長度/ROC，導致較弱的細胞內樣動作電位記錄。（c）用3D納米電極在MEA上培養的神經元。3D納米電極記錄細胞內活動，而其他電極記錄細胞外信號。

4.半植入式納米線器件的細胞安全性

基于半植入式納米線的器件以精確的空間分辨率和低擾動的方式被廣泛用作細胞的調節工具。最初，評估納米線裝置對細胞擾動的主要指標是慢性細胞活力和細胞膜完整性。通過在體外用不同的納米線材料培養不同類型的細胞來評估半植入式納米線裝置的安全性。

圖4 （a）不同NW密度的Si-NW陣列上培養的肝細胞的形態和擴散。比例尺：10μm。（b）五個管家基因的相對mRNA表達分析表明，與正常培養條件下的細胞相比，NWs刺穿的細胞功能受到的干擾最小。

5.半植入式納米線器件用于細胞內外的分子傳遞

細胞內分子向單個靶細胞的傳遞對于生物醫學領域的個性化醫學的診斷和治療具有重要意義。在過去的十年中，體細胞電穿孔技術通常用于細胞轉染，但由于分辨率低和對高壓電源的要求，導致體細胞電穿孔的分子傳遞不穩定。與傳統的整體電穿孔相比，納米電穿孔可以在細胞上提供高度本地化和精確的電穿孔，從而顯著提高穿孔效率和細胞活力（圖5a）。理論上，納米線電穿孔效應通常發生在細胞-納米界面的頂端，由于細胞膜與納米結構的良好耦合，在這里低電壓足以達到細胞膜穿孔的臨界條件。

圖5 （a）（i）用于單細胞電穿孔的NFP芯片的光學圖像和NEP尖端的SEM圖像。（ii）用NFP探針將葡聚糖Alexa-Fluor488轉染到靶HeLa細胞的光學圖像和轉染的HeLa細胞的熒光圖像。（b）nanostraw-質膜界面之間的緊密接觸允許高效轉染pRFP。（c）mRNA轉染不同的原代細胞類型。

6.半植入式納米線器件用于細胞內的生物化學傳感

為了對細胞進行動態和生物相容性記錄，半植入式納米線被開發為細胞內生物傳感工具，旨在基于其獨特的細胞穿透能力精確測量細胞內生物標記物。與傳統的細胞裂解相比，納米設備可以以定量和靈敏的方式直接檢測生物標記物，無需大型分析儀器。此外，半植入式納米器件能夠從細胞內內容物中重復提取，并實現高通量并行傳感。

圖6 （a）通過RNA分析檢查的納米活檢示意圖和納米微管尖端的SEM圖像。（b）（i）電化學注射器以半自動方式移動到目標位置以收集含有細胞質的mRNA并通過qPCR檢測其的示意圖。（ii）收集過程的SICM圖像。（iii）每個位點mRNA表達水平的統計分析。（c）（i）示意圖（小橙色圓圈代表囊泡）和ananotip錐形碳纖維電極視圖。（ii）囊泡在原位電極上的吸附和開放機理。（iii）ananotip錐形碳纖維電解拋光的安培描記法。（d）（i）將交流電壓應用于納米除草器以定向捕獲溶液中或細胞內分子的示意圖，以及DEP納米除草器的TEM圖像。（ii）提取DNA的平均qPCR擴增和典型熔融曲線。（e）無損納米移液管細胞內取樣系統允許通過電穿孔從培養在150nm聚合物膜上的細胞中提取內容物，并通過熒光、ELISA或qPCR進行分析。NS的SEM圖像（右下角）。

7.半植入式納米線器件用于細胞內電生理記錄

作為金標準電生理技術，膜片鉗通過吸入細胞膜與細胞內環境形成耦合界面，提供高質量動作電位記錄。然而，這種侵入性工作模式很難用于長期和高通量記錄。膜片鉗的微尖玻璃微移液管對于大小相似的細胞來說相對較大，這會對細胞造成較大的損傷。為了解決這個缺點，多電極陣列可以在網絡中長期記錄來自多個細胞的細胞外信號。然而，由于電極與細胞的弱耦合，細胞外記錄的信號質量受到限制，很少能夠反映動作電位的詳細信息。為了克服這些限制，納米級設備已經出現，可以以微創的方式對細胞內電信號進行高通量記錄。納米電極平臺可以提供高質量和長期的細胞內記錄，適用于神經科學和心臟病學中大量可興奮細胞的記錄。

圖7 （a）CNP電生理實驗裝置和CNP與細胞膜之間界面的示意圖（左）。CNP尖端的SEM圖像（右）。（b）（i）左：通過獨立扭結的納米線晶體管探針從靶細胞記錄細胞內電信號的示意圖。右圖：扭曲納米線探針和膜片夾吸管的差分干涉對比圖像。比例尺：5μm（ii）使用雙扭結納米線探針記錄來自兩個相鄰心肌細胞的復合IC AP。（c）（i）-（ii）CMOS制造和組裝的圖像。每個晶圓包含256個集成電路。（iii）在電穿孔之前，細胞外動作電位圖顯示了均勻的信號傳播。電穿孔后，標測顯示細胞內信號傳導速度和螺旋重入行為顯著降低。（d）（i）CNEI陣列上培養神經元的偽彩色圖譜。（ii）CNEI陣列上兩次爆發的細胞內記錄顯示同步放電。（iii）另一系列細胞內記錄于19?連續刺激記錄的最小值，細胞內耦合的總像素數為1728。

8.用于生物體的半植入式經皮裝置

對于生物醫學診斷，血液中的許多指標反映了健康狀況。例如，血糖水平反映了胰腺的健康狀況，膽固醇和甘油三酯水平反映了心血管的健康狀況，而蛋白質水平則反映了其他器官的健康狀況。透皮裝置是檢測或調節皮下組織生化活性的有效工具，典型的例子有連續葡萄糖監測（CGM）、葡萄糖微透析探針、基于CGM的閉環胰島素輸送系統和血液透析循環系統。迄今為止，基于酶的葡萄糖濃度電化學檢測的CGM是最成功的透皮裝置技術之一，并已商業化用于臨床應用，如圖8所示。

圖8 代表性透皮半植入式裝置。（a）經皮電化學葡萄糖生物傳感器的結構和原理。（b）基于CGM的閉環胰島素泵系統。（c）用于葡萄糖監測的微透析探針。（d）血液透析系統。

9.用于生物體半植入式藥物輸送微針裝置

微針技術是一種新型透皮裝置，具有500-800μm長的針頭陣列，能夠以無痛和微創的方式穿透皮下皮膚層。短微針旨在穿透皮膚最外層的角質層，但不觸及真皮層的神經末梢或毛細血管，從而以無痛的方式穿透皮膚。此外，微針技術降低了訓練有素的醫務人員的操作復雜性，使其成為非專業人員的便捷工具。此外，微創和原位功能有效避免了血液提取，減少了血液感染、樣品污染等不希望出現的問題，為透皮應用鋪平了一條便捷的替代途徑。結合完善的便攜式檢測或輸送系統，患者可以執行檢測任務，而無需擔心或擔心金屬針造成的組織損傷或感染風險。藥物、疫苗或診斷劑的經皮給藥無疑是過去十年中微針技術最重要的應用。如圖9所示，微針的物理形式決定了藥物輸送的策略。

圖9 （a）微針透皮給藥策略：A各種類型的微針應用于皮膚，B相應的給藥方法。（b-e）不同物理形態微針的SEM圖像，包括（b）固體金屬微針，（c）可溶性聚合物微針，（d）空心微針和（e）帶槽微針（左：頂視圖，右：側視圖）。比例尺：100μm。

10.用于生物體的水溶性或可生物降解的半植入式微針裝置

近年來，水溶性或可生物降解的微針因其制備方便和治療疾病的多功能性而成為研究最多的類別。通過可生物降解的微針進行皮下胰島素輸送是另一個熱點，因為它們可以為蛋白質藥物提供必要的連續輸送。避免全身副作用的局部治療是微針給藥的另一個優勢。這一優勢還為具有全身毒性和副作用的抗腫瘤藥物提供了一種有前景的劑型。另一方面，皮下組織中的毛細血管可以使小分子藥物從真皮快速擴散到體循環，為自我管理的心血管疾病治療提供了新的機會。

圖10 用于皮下組織輸送的水溶性或可生物降解微針。（a）與傳統的肌內免疫免疫相比，可溶性微針可傳遞滅活流感病毒并實現有效的免疫接種。（b）微針接種和NAFL治療的聯合使用導致無損傷接種和擴大交叉保護免疫。（c）用于延長胰島素釋放的可膨脹微針。（d）使用明膠復合物微針緩慢釋放藥物，在糖尿病大鼠中顯示出比皮下注射更長的降糖效果。（e）通過可溶性MNs傳遞CGRP拮抗肽治療局部神經病理性疼痛的示意圖。（f）載順鉑微針用于安全有效的抗腫瘤治療。（g）可生物降解微針，用于通過可生物降解微針聯合傳遞SNP和硫代硫酸鈉，用于控制副作用的抗高血壓治療。

11.用于藥物按需釋放于生物體內的半植入式微針裝置

基于微納制造技術，微針可以與其他先進技術相結合，以實現更復雜的功能，例如按需藥物釋放。Wei等人將導電微針電極與電穿孔裝置相結合，用于在安全電壓下進行體內DNA和siRNA傳遞，在小鼠模型中實現質粒DNA（在健康肌肉組織中）和siRNA（進入腫瘤）的高效和局部傳遞（圖11a）。陳的團隊將光熱轉換納米材料（LaB6）和化療藥物分子封裝在熔點較低（~60℃）的聚己內酯微針中，以建立近紅外（NIR）光觸發透皮控釋系統，這種微針系統顯示出良好的協同效應，在小鼠模型上1周內根除4T1腫瘤，無復發和顯著體重減輕（圖11b）。Gu的團隊將精心設計的葡萄糖反應性囊泡或基質與胰島素整合到可膨脹的微針中，以建立閉環胰島素輸送系統。這些系統證明了胰島素缺乏型糖尿病小鼠和小型豬模型的血糖調節有效性（圖11c-d）。

圖11 基于微針的按需藥物釋放療法。（a）左：用于電穿孔的導電微針陣列叉指電極。右圖：微針電穿孔處理有效增強了pmRFP-C1（RFP）質粒的表達（區域3）。（b）用于小鼠腫瘤模型化療和光熱治療的近紅外（NIR）光觸發經皮控釋微針示意圖。（c）葡萄糖反應性微針（GR MNs）葡萄糖觸發胰島素釋放的圖示以及GR MNs在糖尿病小型豬模型上的應用。（d）有效快速調節胰島素缺乏型糖尿病小鼠（上）和小型豬（下）的血糖水平（PGL）。藍色箭頭：微針注射的時間點。粉紅色箭頭：喂食的時間點。

12.用于生物體的可穿戴式的半植入微針裝置

微針技術作為一種強大的透皮給藥平臺，通過與可穿戴生物傳感系統的結合，為集成診斷和治療系統的開發提供了令人興奮的新可能性。Kim的團隊報告了關于閉環糖尿病監測和治療的代表性研究（圖12a-b）。事實上，近年來，基于微針的生物傳感技術取得了令人樂觀的進展。用導電或半導體材料制作微針作為透皮傳感電極矩陣，并通過三電極電化學或生物阻抗測量進行傳感，是基于微針的生物傳感的基本原理（圖12c）。除了固體微針之外，空心微針還可以提供生物傳感的技術策略，利用微針針尖內的微通道將真皮或內皮中的間質液體（ISF）轉移到體外分析（圖12d）或通過完全集成的微針生物傳感器進行設備監測（圖12e）。

圖12 使用微針控制藥物輸送的集成診斷和治療系統。（a）可伸縮皮膚安裝閉環糖尿病監測和治療設備的示意圖和相應照片，包括汗液葡萄糖傳感模塊（左）和電熱觸發治療微針貼片（右），廣泛使用GP混合材料。熱響應微針的控釋機制（左）及其溫度依賴性如（b）所示。（c）通過在體內給糖尿病小鼠注射二甲雙胍，這種微針治療可顯著抑制血糖。（d）兩級熱觸發治療微針的示意圖和顯微照片。（e）在不同劑量控制的微針治療下，微針的兩階段釋放曲線（左）和對糖尿病小鼠的血糖抑制作用。

13.用于微創/無創檢測葡萄糖含量的微針生物傳感器

微針CGM傳感器可以為糖尿病患者提供無創或微創體驗，而不是頻繁的手指棒測量造成的疼痛和不便，或商業CGM設備的長金屬探針（幾毫米）引起的炎癥風險。圖13展示了幾種用于葡萄糖傳感的電化學工作電極的代表性設計，高度線性，幾乎覆蓋了糖尿病患者的大部分生理血糖范圍（0-432mg/dL）體外生物安全性良好。

圖13 用于葡萄糖監測的基于微針的生物傳感器。（a-d）在整個微針貼片上制造了一種無酶葡萄糖電化學傳感器，其中含有WE、RE和CE。（a）制造順序。（b）微針陣列的SEM圖像（左），生長有MWCNT的微針針尖（中），以及電沉積在MWCNT中的鉑納米顆粒（右）。（c）制作了三電極微針葡萄糖傳感器。（d）傳感器的電流響應是PBS中葡萄糖濃度的函數。（e-h）基于空心硅微針陣列的CGM系統原型。（e）CGM原型的橫截面示意圖。（f）沒有微針陣列的設備的底視圖（左）和藍色液體對射流路徑的演示（右）。（g）微針CGM裝置在人體皮膚上的應用。（h）應用于人體的微針CGM裝置的傳感精度與商用血糖儀的比較。

14.用于蛋白質和血清分析物檢測的微針生物傳感器

Miller等人開發了一種類似的空心微針生物傳感概念驗證演示，用于蛋白質檢測。通過雙光子聚合制備的空心微針與流體通道和電化學電極陣列集成（圖14a），以ISF中的肌紅蛋白/肌鈣蛋白檢測為目標。Ranamukharachchi等人首次集成了一種用于萬古霉素（VAN）快速體外傳感的空心微針光流體生物傳感器。用高密度肽固定的微針管腔用于VAN識別，作為反應室，導致所需樣本量低（0.6nL）且響應快（<5min），而集成光射流模塊為VAN定量提供了高靈敏度（0.41AU/decade）和低LoD（84nM）（圖14b-d）。為了解決將器件與IC和電源模塊的良好集成問題，一個聰明的解決方案是通過相對較長的空心微針直接從淺表血管采集血清樣本進行非電子分析（圖14e-f）。通過在淺表血管上應用一觸式激活血液多診斷系統（OBMS），可以通過生物相容性超銳鎳微針將大約30μl的血液提取到樣本室中。當血液流經聚砜膜時，對血細胞進行過濾。剩余的血清擴散到反應區進行比色分析。通過簡單地重新設計紙基傳感器，為診斷各種生物標志物提供了一個強大的平臺。ISF中的葡萄糖檢測也采用了類似的策略。 ?

圖14 用于蛋白質和血清分析物檢測的基于微針的生物傳感器。（a）空心微針和射流通道集成生物傳感器用于ISF中肌紅蛋白/肌鈣蛋白的檢測。（b-d）用于快速體外萬古霉素（VAN）傳感的空心微針光流體生物傳感器。（b）裝置橫截面示意圖和光流體分析機制。（c）分析時集成設備的圖像。插圖：空心微針的顯微照片。（d）與微針管腔結合的不同濃度分析物的吸收光譜。（e-f）基于空心微針和紙基傳感器的全集成、一觸式激活血液多診斷系統。（e）OBMS的機制和操作過程。（f）OBMS的組件。（g）OBMS在兔耳動脈葡萄糖和膽固醇體內診斷中的應用。

15.其他基本生物標記物檢測的微針生物傳感器

除了葡萄糖和蛋白質傳感之外，研究人員開始使用皮下微針方法來監測其他重要的生理生物標記物（pH、K?、NO、ROS、酒精等），而不是常規的常規方法。例如，Miller及其同事將肌紅蛋白/肌鈣蛋白傳感裝置（圖15a）改進為鉀離子（K?）監測平臺。如圖15b所示，將一種用于高靈敏度NO檢測的氯化血紅素/聚乙二醇/聚多巴胺修飾的PCL微針電化學傳感器安裝在內皮顯微鏡的探針上，并將該探針應用于活體小鼠的結腸中。同時獲得息肉區域的光學圖像和腫瘤特異性NO信號的顯著增加。王的團隊最近也報道了ISF的酒精監測。將乙醇氧化酶固定的鉑絲、鉑絲和銀絲電極插入空心微針的內腔進行電化學傳感（圖15c），為功能性微針電極的制造提供了方便的策略。此外，為了保護微針電極上脆弱的微納傳感結構免受透皮過程中的機械損傷，謝的團隊開發了一種策略，在微針電極上噴涂可溶性聚合物（PVP），用于活性氧（ROS）的活體生物傳感。在該電化學傳感平臺中，PVP保護層被涂覆在我們沉積的脆弱rGO/Pt納米復合物的微針上。它提供了足夠的機械強度，以保護微針上的納米結構免受損壞，并在IFS中快速溶解（<5分鐘），從而使微針表面正常工作（圖15d-e）。 ?

圖15 基于微針的生物傳感器，用于基本生理生物標記物檢測。（a-b）微針傳感器和內窺鏡設備集成了雙重診斷系統，用于實時癌癥特異性NO信號檢測。（a）在結直腸癌模型小鼠上應用該系統進行活體成像和傳感的示意圖。（b）實時活體內顯微鏡成像小鼠結腸內正常和息肉區域（黑色箭頭指示），并相應檢測到NO信號。（c）用于監測ISF中酒精的功能化線電極和空心微針組裝生物傳感器的插圖和圖像。（d-e）微針電化學平臺，帶有rGO/Pt納米顆粒固定和可溶性聚合物涂層，用于實時皮下ROS監測。（d）微針ROS傳感器示意圖和WE的表面結構。（e）PVP涂層傳感器插入豬皮和取出后的安培響應，指非PVP涂層傳感器。

16.用于神經科學研究的傳統電生理腦電極

與體外記錄相比，先進的體內膜片鉗記錄為活體神經科學開辟了一條新的道路。體內膜片鉗記錄通常在顯微鏡下進行，以發現和記錄大腦中標記的神經元。為了簡化神經元的預標記，Kitamura等人開發了一種新的陰影修補方法，通過在細胞外環境中預使用熒光染料將神經元視為負像（圖16a，左圖），記錄的動作電位呈現出與預標記電位相似的質量。為了實現用戶友好的操作，建立了自動體內貼片夾緊系統（圖16a，右圖），通過分析算法中細胞誘導的電極阻抗變化，精確定位細胞，具有良好的產量、吞吐量和信號質量性能。隨著MEMS技術的發展，通過高效、標準的微加工技術，出現了復雜的硅基MEA。猶他州電極陣列（UEA）與堆疊式微絲MEA類似，其常規配置包含10 × 10針桿和外露的導電硅尖端，該針桿最初由猶他大學開發（圖16c）。為了進一步提高深度上的空間分辨率，開發了猶他傾斜電極陣列（USEA）來檢測不同深度上的神經元信號。然而，由于UEA或USEA的固有結構，深度空間分辨率仍然有限。

圖16 用于神經科學研究的多功能腦電極。（a）用于神經元動作電位記錄和質粒DNA傳遞電穿孔的活體膜片鉗和自動膜片鉗。（b）傳統的微絲和堆疊的微絲。（c）猶他電極陣列的100個微電極。（d）單柄和多柄密歇根電極陣列。

17.用于神經科學研究的多路復用式多功能腦電極陣列

基于密歇根式電極的高空間分辨率和可控制造，其他功能組件可以集成到同一設備中。在神經科學中，神經元調節是揭示復雜網絡中神經元功能和相互作用的另一個重要方法。由于傳感電極可以作為刺激電極進行多路復用，減少了設備的制造和集成復雜性，因此電刺激是首選的激活神經元的方法。然而，電刺激具有空間分辨率較低和非特異性的缺點。為了解決電刺激的局限性，光遺傳學（optogenetics）提供了一種先進的神經元調節策略，在引入光敏蛋白的神經元上使用特定波長的光刺激，這種新的光模擬策略可以通過高時空刺激改善神經元網絡的分析。根據這一原理，高密度微型光學和光電元件趨向于通過先進的MEMS技術集成在密歇根式探頭上，如圖17所示。

圖17 （a）光學元件集成多功能密歇根電極，用于光遺傳學應用。（b）用于藥物輸送的微通道集成密歇根電極（頂部）和基于CMOS的神經活動高密度記錄（底部）。（c）用于ECoG和皮質內信號記錄的柔性電極陣列。（d）用于長期腦定位和神經記錄的可注射網狀電極。（e）多功能FEA，用于體內神經回路的同時光學刺激、電記錄和藥物輸送。

18.用于高通量和長期神經科學研究的半植入式腦電極陣列

MEA通常是用于高通量和長期電生理記錄的半植入式設備。傳統的MEAs由多通道的單個無源傳感器組成，但是它們的互連體占用了很大的空間，這嚴重限制了活體神經科學研究的高空間分辨率。Viventi等人采用基于硅納米膜的晶體管陣列進行ECoG記錄，以克服這一限制。基于柔性晶體管陣列的結構，數千個集成傳感器可以通過較少的導線以多路方式操作。通過360個電極記錄和繪制大腦皮層的活體活動，如睡眠、視覺刺激和癲癇發作。從貓癲癇模型可以發現，癲癇發作的典型特征是螺旋波在皮層傳播，高空間分辨率設備可以以高時空分辨率偽彩色電影的形式直觀顯示（圖18a）。除了設備的高通量特性外，神經電生理研究還需要長期的慢性電記錄。對于穩定的活體神經科學研究，半植入式裝置可以實現單細胞時空分辨率，但在長期監測過程中，運動損傷和慢性炎癥會影響植入探針的功能和性能。Fu等人制造了一種柔性網狀電子設備，該設備與神經元樣硬度具有生物相容性，可支持34周的小鼠大腦高質量神經元信號記錄（圖18b）。這種神經元樣裝置可以記錄自由行為小鼠的強大單神經元信號，為研究認知和神經退行性體內模型奠定了良好的基礎。

圖18 通過半植入式設備進行高通量和長期神經科學研究。（a）在短時間內通過360個基于晶體管的陣列記錄高通量μECoG信號。晶體管陣列可以以各種模式直觀地顯示高時空分辨率的電影幀。（b）通過神經元樣半植入式裝置長期記錄慢性單神經元34周。

19.用于在體光學傳感的半植入式腦電極傳感器

光學傳感和電化學傳感的發現對神經科學的發展具有重要意義。最初的光學傳感大多基于熒光蛋白的單電極傳感。這種單電極光學生化傳感器為神經科學的體內研究提供了解決方案，并為現代精密電極的發展奠定了基礎。例如，GRABNE單電極傳感器可檢測活體小鼠、活體斑馬魚和自由放養小鼠的光遺傳學和行為學觸發的NE釋放（圖19a）。如圖19b所示，超靈敏蛋白鈣傳感器GCaMP6可靠地檢測神經元胞漿中的個體動作電位和單個樹突棘中定向調節的突觸鈣瞬變。隨著單電極成像的發展，雙光子成像和高精度多功能成像正在成熟。乙酰膽堿參與多種神經活動，但一直很難檢測到，通過半植入熒光雙光子成像設備在體內成功檢測到（圖19c）。如圖19d所示，可以監測急性GABA釋放行為，對于圖19e，可以測量多巴胺的瞬時變化量。從應用前景來看，光傳感器的波分復用傳感將應用于更多的場景。據報道，鈣敏感近紅外探針（NIR GECO1）與其他光遺傳學指示器和致動器相結合，為多色鈣離子成像開辟了新的前景（圖19f）。

圖19 半植入式活體腦光學傳感器。（a）基因編碼的GPCR激活型去甲腎上腺素傳感器，用于快速體內去甲腎上腺素特異性檢測。（b）在小鼠視皮層2/3層錐體神經元中，超靈敏蛋白鈣傳感器（GCaMP6）檢測到單個神經元體細胞動作電位和單個樹突棘中突觸瞬時鈣的靶向調節。（c）基于G蛋白偶聯受體激活的乙酰膽堿（GACh）傳感器對外源性和/或內源性乙酰膽堿有選擇地作出反應，產生強大的熒光信號，這些信號由多個動物物種的表觀熒光、共焦和/或雙光子顯微鏡捕獲。（d）用于斑馬魚小腦表達的活體光片圖像的遺傳編碼GABA熒光傳感器。（e）用于體內高分辨率多巴胺成像的基因編碼傳感器。（f）遺傳編碼的近紅外熒光鈣離子指示劑NIR-GECO1與光生指示劑和致動器的光譜復用。

20.用于在體電化學傳感的植入式腦電極

與常見的電化學透皮傳感類似，大腦中的電化學傳感依賴于工作電極和電分析技術。核酸適體修飾的微/納米電極已成為檢測腦內生化物質的主要方法。例如，據報道，一種基于電化學適體的體內可卡因傳感器能夠直接從離散的大腦位置測量可卡因。此外，適體功能化神經記錄電極成功探測到大腦中自發和誘發的神經活動（圖20a）。另一種基于電化學適體的傳感器支持連續、實時、多小時的測量，甚至在清醒、活動的大鼠的血流中檢測到四種藥物（圖20b）。該電化學適體傳感器在臨床相關檢測限和高時間分辨率下實現了精確的分子測量，為生理學和藥代動力學研究提供了重要途徑。最近的一篇論文描述了一種透明、超柔性和有源多電極陣列，用于同時進行光遺傳學和電化學傳感（圖20c）。

圖20 半植入式活體腦電化學傳感器。（a）（左）可卡因檢測實驗體內實驗設計的代表性矢狀圖。（右）全身靜脈注射可卡因的體內檢測。（b）基于電化學適體的傳感器能夠對清醒、活動大鼠的血流中的四種藥物進行多小時實時測量。（c）有機電化學晶體管作為傳感器和有機場效應晶體管作為多路復用器的集成，用于光遺傳大鼠中電信號的空間映射。

21.用于在體腦內給藥的半植入式腦電極

近年來，藥物輸送系統經常與多功能平臺（如光調制和信號記錄）結合使用，藥物輸送通道已根據應用需求從單通道演變為多通道。如圖21a所示，在細胞水平上應用不同的刺激來研究和調節體內的神經回路，其中只有一個微流控通道用于藥物輸送。在圖21b所示的示例中，具有多種功能的神經電極也能夠輸送多種藥物。如上所述的多功能電極包含多個藥物輸送通道，不僅可以輸送普通的神經藥物，還可以輸送攜帶特殊基因的載體病毒（圖21c）。無線植入式藥物釋放電極的示例如圖21d-f所示。圖21d顯示，該無線電極可以分析單一藥物的劑量-反應關系，或測試幾種不同藥物在嚙齒動物大腦中的作用。圖21e和圖21d之間的主要區別在于藥物填充和流量可調特性。該技術能夠針對自由活動動物的特定神經元群體。為了滿足無線、長時間、重復和精確藥物輸送的更高要求，圖21f所示的多通道、無線、受控藥物輸送提供了可靠的解決方案。該方案表明，光射流設備能夠通過智能手機的藍牙應用程序選擇性控制特定小鼠，通過觀察小鼠行為和腦內特征的變化揭示神經精神障礙的基礎。

圖21 半植入式腦內給藥裝置。（a）一種多功能多柄單通道微流控釋藥神經探針，用于研究和調節體內遠程神經回路。（b）在體內直接注射毛果蕓香堿，記錄四個神經元通過微流控通道在5種不同濃度的毛果蕓香堿下進行分類。（c）通過雙通道微流控探針將攜帶視蛋白基因的病毒載體注射到野生型（WT）小鼠后，檢測野生型（WT）小鼠中視蛋白基因的表達。（d）通過單通道光射流系統將紅色染料無線輸送至大鼠模型的幻腦。（e）腦組織內的多功能無線液體輸送可提供藥物再灌注和可調節的流速。（f）在一組同時行為的小鼠中對藥物輸送進行無線選擇性控制。

審核編輯 ：李倩