半植入式生物电子的定义和总结

开发有效、实时监测和调节生物对象内部环境的技术对于许多生物医学工程和科学应用，包括药物输送、电生理记录和细胞内活动的调节，具有重要意义。半植入式生物电子是当前生物医学工程研究领域的一个热点，因为它不仅满足了对生物活动进行精确检测或调节的日益增长的技术需求，而且为外部整合复杂功能和电子集成提供了一个理想的平台。尽管与广受好评的无创生物电子和完全植入式生物电子相比，半植入式生物电子的定义和总结较少，但它已成为推动生物芯片和智能可穿戴设备发展的高度独特的技术。

中山大学谢曦教授等于Nano-Micro Letters期刊发表了题为“Semi-Implantable Bioelectronics”的综述文章，提出了“半植入式生物电子”的概念，总结了半植入式电子在细胞应用和体内应用的原理和策略，讨论了进入细胞内环境或体内环境的典型方法、生物安全方面和典型应用，对于深入理解设计原则、材料制造技术、设备集成工艺、细胞/组织渗透方法、生物安全方面以及对未来微创生物电子发展至关重要的应用策略具有重要意义。“半植入式生物电子”，指的是可以进入生物对象（如细胞、组织或动物/人体）内部环境的功能或电子装置，而连接的散装装置仍保留在生物对象的表面。与其他生物电子（如可穿戴生物电子或完全植入式生物电子）相比，半植入式生物电子建立了一个平台，可以精确检测或调节生物对象内部的生物活动，并通过电子集成实现外部整合功能。

图文导读

1. 用于探测单个细胞内环境的半植入式单纳米线结构

近几十年来，通过先进的微/纳米制造技术，出现了大量纳米设备，以便于以半植入方式进入细胞内区域。尤其是一维纳米结构（例如，纳米线、纳米线、纳米管、纳米柱）能够穿透细胞通过其尖锐纳米尖端的局部高压形成的薄膜，如图1所示。原子力显微镜（AFM）或微操作器是协助单纳米探针设备（如纳米线）记录和调节细胞内活动的常用工具。在单细胞中进行高时空分辨率的传感和操作对于探索细胞微/纳米环境、检测细胞内生化指标以及以亚细胞/纳米尺度揭示细胞间差异具有重要意义。

图1 （a）（i）-（ii）同轴AFM探针的SEM图像。（iii）使用DENT提取的单细胞mRNA的操作。（iv）图中表示β-肌动蛋白mRNA的场开和场关。（v）检测GAPDH和HPRT。（b）（i）-（ii）一个现成的装置和一个顺式结构的双重扭结纳米线的SEM图像。（iii）从心肌细胞单层记录的示意图。（iv）从跳动的心肌细胞进行细胞外和细胞内的电记录。（v）稳态的细胞内记录。（c）（i）硅纳米线上的纳米管的SEM图像。（ii）-（iii）反映细胞外记录的代表性痕迹。（iv）细胞内记录的峰值的放大图。（v）同时记录两个装置的细胞外和细胞内的电信号。（d）（i）-（ii）细胞内窥镜与玻璃移液器的比较。（iii）HeLa细胞（左）被玻璃移液器询问，原代大鼠肝细胞核被纳米管内窥镜询问。（iv）-（v）分别装有100和50nm碳纳米管尖端的内窥镜的SEM图像。（vi）带有碳纳米管尖端的玻璃吸管的光学图像。  

2. 用于同时探测多个细胞内环境的半植入式纳米线阵列

因为单纳米线器件吞吐量较低难以对许多单个细胞同步执行操作的特点，所以单纳米线器件的广泛应用受到阻碍。为了解决这一限制，垂直排列的纳米线阵列为大规模和高通量的细胞提供了一个独特的平台，甚至可以进行单细胞操作。基于尖锐纳米尖端处的细胞力，细胞纳米结构界面可以自发地在细胞膜上形成局部更高的张力。在实际应用中，垂直纳米线器件甚至可以基于其3D锐利的特性穿透细胞膜。  

图2 （a）（i）硅纳米线阵列的SEM图像。（ii）荧光图像显示纳米线阵列+TENG、平坦+TENG和纳米线阵列经10kD葡聚糖-FITC输送处理后的组织切片。（b）BNS阵列的SEM图像，以及用BNS阵列构建的电穿孔系统捕获癌细胞后的细胞输送和原位提取示意图。（c）VNEA的SEM图像和大鼠皮质神经元在其上培养后的DIC显微照片。行动电位是用贴片吸管（蓝色）刺激的，并由VNEA垫在Faradaic模式（品红色）下记录。  

3. 基于半植入式纳米器件的诱发细胞膜穿透方法

为了提高穿透效率，人们开发了其他辅助策略，如电穿孔、光修复、化学涂层或机械力来提高细胞穿透。许多工作已经证明，脂质膜可以通过应用外力（如力、电和光）以及化学制剂与垂直纳米线装置耦合而被渗透。耦合外力进行细胞渗透的三种主要辅助策略拥有各自的优势和劣势。电穿孔耦合可以导致细胞膜上纳米孔的诱导，但可能会破坏细胞活动，而且纳米孔的重新封闭会妨碍长期记录。用垂直纳米线进行光化耦合可以防止电干扰的缺陷，但存在低通量调节的问题。用纳米线在细胞上施加外部机械力似乎是增加膜渗透的直接方法，但渗透效率相对低于电穿孔或光穿孔方法。  

图3 （a）（i）在电穿孔之前，记录的动作电位显示细胞外信号。电穿孔后，细胞内信号振幅增加100倍以上。（ii）纳米柱电极电穿孔细胞膜的示意图。（b）U-NWFET探针的细胞内记录图。（i）一种内部化的短沟道U-NWFET，在细胞膜上具有高电阻密封，用于高振幅记录。（ii）部分封闭/内化的U-NWFET具有更长的通道长度/ROC，导致较弱的细胞内样动作电位记录。（c）用3D纳米电极在MEA上培养的神经元。3D纳米电极记录细胞内活动，而其他电极记录细胞外信号。  

4. 半植入式纳米线器件的细胞安全性

基于半植入式纳米线的器件以精确的空间分辨率和低扰动的方式被广泛用作细胞的调节工具。最初，评估纳米线装置对细胞扰动的主要指标是慢性细胞活力和细胞膜完整性。通过在体外用不同的纳米线材料培养不同类型的细胞来评估半植入式纳米线装置的安全性。  

图4 （a）不同NW密度的Si-NW阵列上培养的肝细胞的形态和扩散。比例尺：10µm。（b）五个管家基因的相对mRNA表达分析表明，与正常培养条件下的细胞相比，NWs刺穿的细胞功能受到的干扰最小。  

5. 半植入式纳米线器件用于细胞内外的分子传递

细胞内分子向单个靶细胞的传递对于生物医学领域的个性化医学的诊断和治疗具有重要意义。在过去的十年中，体细胞电穿孔技术通常用于细胞转染，但由于分辨率低和对高压电源的要求，导致体细胞电穿孔的分子传递不稳定。与传统的整体电穿孔相比，纳米电穿孔可以在细胞上提供高度本地化和精确的电穿孔，从而显著提高穿孔效率和细胞活力（图5a）。理论上，纳米线电穿孔效应通常发生在细胞-纳米界面的顶端，由于细胞膜与纳米结构的良好耦合，在这里低电压足以达到细胞膜穿孔的临界条件。  

图5 （a）（i）用于单细胞电穿孔的NFP芯片的光学图像和NEP尖端的SEM图像。（ii）用NFP探针将葡聚糖Alexa-Fluor488转染到靶HeLa细胞的光学图像和转染的HeLa细胞的荧光图像。（b）nanostraw-质膜界面之间的紧密接触允许高效转染pRFP。（c）mRNA转染不同的原代细胞类型。  

6. 半植入式纳米线器件用于细胞内的生物化学传感

为了对细胞进行动态和生物相容性记录，半植入式纳米线被开发为细胞内生物传感工具，旨在基于其独特的细胞穿透能力精确测量细胞内生物标记物。与传统的细胞裂解相比，纳米设备可以以定量和灵敏的方式直接检测生物标记物，无需大型分析仪器。此外，半植入式纳米器件能够从细胞内内容物中重复提取，并实现高通量并行传感。  

图6 （a）通过RNA分析检查的纳米活检示意图和纳米微管尖端的SEM图像。（b）（i）电化学注射器以半自动方式移动到目标位置以收集含有细胞质的mRNA并通过qPCR检测其的示意图。（ii）收集过程的SICM图像。（iii）每个位点mRNA表达水平的统计分析。（c）（i）示意图（小橙色圆圈代表囊泡）和ananotip锥形碳纤维电极视图。（ii）囊泡在原位电极上的吸附和开放机理。（iii）ananotip锥形碳纤维电解抛光的安培描记法。（d）（i）将交流电压应用于纳米除草器以定向捕获溶液中或细胞内分子的示意图，以及DEP纳米除草器的TEM图像。（ii）提取DNA的平均qPCR扩增和典型熔融曲线。（e）无损纳米移液管细胞内取样系统允许通过电穿孔从培养在150nm聚合物膜上的细胞中提取内容物，并通过荧光、ELISA或qPCR进行分析。NS的SEM图像（右下角）。  

7. 半植入式纳米线器件用于细胞内电生理记录

作为金标准电生理技术，膜片钳通过吸入细胞膜与细胞内环境形成耦合界面，提供高质量动作电位记录。然而，这种侵入性工作模式很难用于长期和高通量记录。膜片钳的微尖玻璃微移液管对于大小相似的细胞来说相对较大，这会对细胞造成较大的损伤。为了解决这个缺点，多电极阵列可以在网络中长期记录来自多个细胞的细胞外信号。然而，由于电极与细胞的弱耦合，细胞外记录的信号质量受到限制，很少能够反映动作电位的详细信息。为了克服这些限制，纳米级设备已经出现，可以以微创的方式对细胞内电信号进行高通量记录。纳米电极平台可以提供高质量和长期的细胞内记录，适用于神经科学和心脏病学中大量可兴奋细胞的记录。  

图7 （a）CNP电生理实验装置和CNP与细胞膜之间界面的示意图（左）。CNP尖端的SEM图像（右）。（b）（i）左：通过独立扭结的纳米线晶体管探针从靶细胞记录细胞内电信号的示意图。右图：扭曲纳米线探针和膜片夹吸管的差分干涉对比图像。比例尺：5µm（ii）使用双扭结纳米线探针记录来自两个相邻心肌细胞的复合IC AP。（c）（i）-（ii）CMOS制造和组装的图像。每个晶圆包含256个集成电路。（iii）在电穿孔之前，细胞外动作电位图显示了均匀的信号传播。电穿孔后，标测显示细胞内信号传导速度和螺旋重入行为显著降低。（d）（i）CNEI阵列上培养神经元的伪彩色图谱。（ii）CNEI阵列上两次爆发的细胞内记录显示同步放电。（iii）另一系列细胞内记录于19 连续刺激记录的最小值，细胞内耦合的总像素数为1728。  

8. 用于生物体的半植入式经皮装置

对于生物医学诊断，血液中的许多指标反映了健康状况。例如，血糖水平反映了胰腺的健康状况，胆固醇和甘油三酯水平反映了心血管的健康状况，而蛋白质水平则反映了其他器官的健康状况。透皮装置是检测或调节皮下组织生化活性的有效工具，典型的例子有连续葡萄糖监测（CGM）、葡萄糖微透析探针、基于CGM的闭环胰岛素输送系统和血液透析循环系统。迄今为止，基于酶的葡萄糖浓度电化学检测的CGM是最成功的透皮装置技术之一，并已商业化用于临床应用，如图8所示。  

图8 代表性透皮半植入式装置。（a）经皮电化学葡萄糖生物传感器的结构和原理。（b）基于CGM的闭环胰岛素泵系统。（c）用于葡萄糖监测的微透析探针。（d）血液透析系统。  

9. 用于生物体半植入式药物输送微针装置

微针技术是一种新型透皮装置，具有500-800μm长的针头阵列，能够以无痛和微创的方式穿透皮下皮肤层。短微针旨在穿透皮肤最外层的角质层，但不触及真皮层的神经末梢或毛细血管，从而以无痛的方式穿透皮肤。此外，微针技术降低了训练有素的医务人员的操作复杂性，使其成为非专业人员的便捷工具。此外，微创和原位功能有效避免了血液提取，减少了血液感染、样品污染等不希望出现的问题，为透皮应用铺平了一条便捷的替代途径。结合完善的便携式检测或输送系统，患者可以执行检测任务，而无需担心或担心金属针造成的组织损伤或感染风险。药物、疫苗或诊断剂的经皮给药无疑是过去十年中微针技术最重要的应用。如图9所示，微针的物理形式决定了药物输送的策略。

图9 （a）微针透皮给药策略：A各种类型的微针应用于皮肤，B相应的给药方法。（b-e）不同物理形态微针的SEM图像，包括（b）固体金属微针，（c）可溶性聚合物微针，（d）空心微针和（e）带槽微针（左：顶视图，右：侧视图）。比例尺：100μm。  

10. 用于生物体的水溶性或可生物降解的半植入式微针装置

近年来，水溶性或可生物降解的微针因其制备方便和治疗疾病的多功能性而成为研究最多的类别。通过可生物降解的微针进行皮下胰岛素输送是另一个热点，因为它们可以为蛋白质药物提供必要的连续输送。避免全身副作用的局部治疗是微针给药的另一个优势。这一优势还为具有全身毒性和副作用的抗肿瘤药物提供了一种有前景的剂型。另一方面，皮下组织中的毛细血管可以使小分子药物从真皮快速扩散到体循环，为自我管理的心血管疾病治疗提供了新的机会。  

图10 用于皮下组织输送的水溶性或可生物降解微针。（a）与传统的肌内免疫免疫相比，可溶性微针可传递灭活流感病毒并实现有效的免疫接种。（b）微针接种和NAFL治疗的联合使用导致无损伤接种和扩大交叉保护免疫。（c）用于延长胰岛素释放的可膨胀微针。（d）使用明胶复合物微针缓慢释放药物，在糖尿病大鼠中显示出比皮下注射更长的降糖效果。（e）通过可溶性MNs传递CGRP拮抗肽治疗局部神经病理性疼痛的示意图。（f）载顺铂微针用于安全有效的抗肿瘤治疗。（g）可生物降解微针，用于通过可生物降解微针联合传递SNP和硫代硫酸钠，用于控制副作用的抗高血压治疗。    

11. 用于药物按需释放于生物体内的半植入式微针装置

基于微纳制造技术，微针可以与其他先进技术相结合，以实现更复杂的功能，例如按需药物释放。Wei等人将导电微针电极与电穿孔装置相结合，用于在安全电压下进行体内DNA和siRNA传递，在小鼠模型中实现质粒DNA（在健康肌肉组织中）和siRNA（进入肿瘤）的高效和局部传递（图11a）。陈的团队将光热转换纳米材料（LaB6）和化疗药物分子封装在熔点较低（~60℃）的聚己内酯微针中，以建立近红外（NIR）光触发透皮控释系统，这种微针系统显示出良好的协同效应，在小鼠模型上1周内根除4T1肿瘤，无复发和显著体重减轻（图11b）。Gu的团队将精心设计的葡萄糖反应性囊泡或基质与胰岛素整合到可膨胀的微针中，以建立闭环胰岛素输送系统。这些系统证明了胰岛素缺乏型糖尿病小鼠和小型猪模型的血糖调节有效性（图11c-d）。  

图11 基于微针的按需药物释放疗法。（a）左：用于电穿孔的导电微针阵列叉指电极。右图：微针电穿孔处理有效增强了pmRFP-C1（RFP）质粒的表达（区域3）。（b）用于小鼠肿瘤模型化疗和光热治疗的近红外（NIR）光触发经皮控释微针示意图。（c）葡萄糖反应性微针（GR MNs）葡萄糖触发胰岛素释放的图示以及GR MNs在糖尿病小型猪模型上的应用。（d）有效快速调节胰岛素缺乏型糖尿病小鼠（上）和小型猪（下）的血糖水平（PGL）。蓝色箭头：微针注射的时间点。粉红色箭头：喂食的时间点。  

12. 用于生物体的可穿戴式的半植入微针装置

微针技术作为一种强大的透皮给药平台，通过与可穿戴生物传感系统的结合，为集成诊断和治疗系统的开发提供了令人兴奋的新可能性。Kim的团队报告了关于闭环糖尿病监测和治疗的代表性研究（图12a-b）。事实上，近年来，基于微针的生物传感技术取得了令人乐观的进展。用导电或半导体材料制作微针作为透皮传感电极矩阵，并通过三电极电化学或生物阻抗测量进行传感，是基于微针的生物传感的基本原理（图12c）。除了固体微针之外，空心微针还可以提供生物传感的技术策略，利用微针针尖内的微通道将真皮或内皮中的间质液体（ISF）转移到体外分析（图12d）或通过完全集成的微针生物传感器进行设备监测（图12e）。  

图12 使用微针控制药物输送的集成诊断和治疗系统。（a）可伸缩皮肤安装闭环糖尿病监测和治疗设备的示意图和相应照片，包括汗液葡萄糖传感模块（左）和电热触发治疗微针贴片（右），广泛使用GP混合材料。热响应微针的控释机制（左）及其温度依赖性如（b）所示。（c）通过在体内给糖尿病小鼠注射二甲双胍，这种微针治疗可显著抑制血糖。（d）两级热触发治疗微针的示意图和显微照片。（e）在不同剂量控制的微针治疗下，微针的两阶段释放曲线（左）和对糖尿病小鼠的血糖抑制作用。  

13. 用于微创/无创检测葡萄糖含量的微针生物传感器

微针CGM传感器可以为糖尿病患者提供无创或微创体验，而不是频繁的手指棒测量造成的疼痛和不便，或商业CGM设备的长金属探针（几毫米）引起的炎症风险。图13展示了几种用于葡萄糖传感的电化学工作电极的代表性设计，高度线性，几乎覆盖了糖尿病患者的大部分生理血糖范围（0-432mg/dL）体外生物安全性良好。  

图13 用于葡萄糖监测的基于微针的生物传感器。（a-d）在整个微针贴片上制造了一种无酶葡萄糖电化学传感器，其中含有WE、RE和CE。（a）制造顺序。（b）微针阵列的SEM图像（左），生长有MWCNT的微针针尖（中），以及电沉积在MWCNT中的铂纳米颗粒（右）。（c）制作了三电极微针葡萄糖传感器。（d）传感器的电流响应是PBS中葡萄糖浓度的函数。（e-h）基于空心硅微针阵列的CGM系统原型。（e）CGM原型的横截面示意图。（f）没有微针阵列的设备的底视图（左）和蓝色液体对射流路径的演示（右）。（g）微针CGM装置在人体皮肤上的应用。（h）应用于人体的微针CGM装置的传感精度与商用血糖仪的比较。  

14. 用于蛋白质和血清分析物检测的微针生物传感器

Miller等人开发了一种类似的空心微针生物传感概念验证演示，用于蛋白质检测。通过双光子聚合制备的空心微针与流体通道和电化学电极阵列集成（图14a），以ISF中的肌红蛋白/肌钙蛋白检测为目标。Ranamukharachchi等人首次集成了一种用于万古霉素（VAN）快速体外传感的空心微针光流体生物传感器。用高密度肽固定的微针管腔用于VAN识别，作为反应室，导致所需样本量低（0.6nL）且响应快（<5min），而集成光射流模块为VAN定量提供了高灵敏度（0.41AU/decade）和低LoD（84nM）（图14b-d）。为了解决将器件与IC和电源模块的良好集成问题，一个聪明的解决方案是通过相对较长的空心微针直接从浅表血管采集血清样本进行非电子分析（图14e-f）。通过在浅表血管上应用一触式激活血液多诊断系统（OBMS），可以通过生物相容性超锐镍微针将大约30μl的血液提取到样本室中。当血液流经聚砜膜时，对血细胞进行过滤。剩余的血清扩散到反应区进行比色分析。通过简单地重新设计纸基传感器，为诊断各种生物标志物提供了一个强大的平台。ISF中的葡萄糖检测也采用了类似的策略。  

图14 用于蛋白质和血清分析物检测的基于微针的生物传感器。（a）空心微针和射流通道集成生物传感器用于ISF中肌红蛋白/肌钙蛋白的检测。（b-d）用于快速体外万古霉素（VAN）传感的空心微针光流体生物传感器。（b）装置横截面示意图和光流体分析机制。（c）分析时集成设备的图像。插图：空心微针的显微照片。（d）与微针管腔结合的不同浓度分析物的吸收光谱。（e-f）基于空心微针和纸基传感器的全集成、一触式激活血液多诊断系统。（e）OBMS的机制和操作过程。（f）OBMS的组件。（g）OBMS在兔耳动脉葡萄糖和胆固醇体内诊断中的应用。  

15. 其他基本生物标记物检测的微针生物传感器

除了葡萄糖和蛋白质传感之外，研究人员开始使用皮下微针方法来监测其他重要的生理生物标记物（pH、K⁺、NO、ROS、酒精等），而不是常规的常规方法。例如，Miller及其同事将肌红蛋白/肌钙蛋白传感装置（图15a）改进为钾离子（K⁺）监测平台。如图15b所示，将一种用于高灵敏度NO检测的氯化血红素/聚乙二醇/聚多巴胺修饰的PCL微针电化学传感器安装在内皮显微镜的探针上，并将该探针应用于活体小鼠的结肠中。同时获得息肉区域的光学图像和肿瘤特异性NO信号的显著增加。王的团队最近也报道了ISF的酒精监测。将乙醇氧化酶固定的铂丝、铂丝和银丝电极插入空心微针的内腔进行电化学传感（图15c），为功能性微针电极的制造提供了方便的策略。此外，为了保护微针电极上脆弱的微纳传感结构免受透皮过程中的机械损伤，谢的团队开发了一种策略，在微针电极上喷涂可溶性聚合物（PVP），用于活性氧（ROS）的活体生物传感。在该电化学传感平台中，PVP保护层被涂覆在我们沉积的脆弱rGO/Pt纳米复合物的微针上。它提供了足够的机械强度，以保护微针上的纳米结构免受损坏，并在IFS中快速溶解（<5分钟），从而使微针表面正常工作（图15d-e）。  

图15 基于微针的生物传感器，用于基本生理生物标记物检测。（a-b）微针传感器和内窥镜设备集成了双重诊断系统，用于实时癌症特异性NO信号检测。（a）在结直肠癌模型小鼠上应用该系统进行活体成像和传感的示意图。（b）实时活体内显微镜成像小鼠结肠内正常和息肉区域（黑色箭头指示），并相应检测到NO信号。（c）用于监测ISF中酒精的功能化线电极和空心微针组装生物传感器的插图和图像。（d-e）微针电化学平台，带有rGO/Pt纳米颗粒固定和可溶性聚合物涂层，用于实时皮下ROS监测。（d）微针ROS传感器示意图和WE的表面结构。（e）PVP涂层传感器插入猪皮和取出后的安培响应，指非PVP涂层传感器。  

16. 用于神经科学研究的传统电生理脑电极

与体外记录相比，先进的体内膜片钳记录为活体神经科学开辟了一条新的道路。体内膜片钳记录通常在显微镜下进行，以发现和记录大脑中标记的神经元。为了简化神经元的预标记，Kitamura等人开发了一种新的阴影修补方法，通过在细胞外环境中预使用荧光染料将神经元视为负像（图16a，左图），记录的动作电位呈现出与预标记电位相似的质量。为了实现用户友好的操作，建立了自动体内贴片夹紧系统（图16a，右图），通过分析算法中细胞诱导的电极阻抗变化，精确定位细胞，具有良好的产量、吞吐量和信号质量性能。随着MEMS技术的发展，通过高效、标准的微加工技术，出现了复杂的硅基MEA。犹他州电极阵列（UEA）与堆叠式微丝MEA类似，其常规配置包含10 × 10针杆和外露的导电硅尖端，该针杆最初由犹他大学开发（图16c）。为了进一步提高深度上的空间分辨率，开发了犹他倾斜电极阵列（USEA）来检测不同深度上的神经元信号。然而，由于UEA或USEA的固有结构，深度空间分辨率仍然有限。  

图16 用于神经科学研究的多功能脑电极。（a）用于神经元动作电位记录和质粒DNA传递电穿孔的活体膜片钳和自动膜片钳。（b）传统的微丝和堆叠的微丝。（c）犹他电极阵列的100个微电极。（d）单柄和多柄密歇根电极阵列。

17. 用于神经科学研究的多路复用式多功能脑电极阵列

基于密歇根式电极的高空间分辨率和可控制造，其他功能组件可以集成到同一设备中。在神经科学中，神经元调节是揭示复杂网络中神经元功能和相互作用的另一个重要方法。由于传感电极可以作为刺激电极进行多路复用，减少了设备的制造和集成复杂性，因此电刺激是首选的激活神经元的方法。然而，电刺激具有空间分辨率较低和非特异性的缺点。为了解决电刺激的局限性，光遗传学（optogenetics）提供了一种先进的神经元调节策略，在引入光敏蛋白的神经元上使用特定波长的光刺激，这种新的光模拟策略可以通过高时空刺激改善神经元网络的分析。根据这一原理，高密度微型光学和光电元件趋向于通过先进的MEMS技术集成在密歇根式探头上，如图17所示。  

图17 （a）光学元件集成多功能密歇根电极，用于光遗传学应用。（b）用于药物输送的微通道集成密歇根电极（顶部）和基于CMOS的神经活动高密度记录（底部）。（c）用于ECoG和皮质内信号记录的柔性电极阵列。（d）用于长期脑定位和神经记录的可注射网状电极。（e）多功能FEA，用于体内神经回路的同时光学刺激、电记录和药物输送。  

18. 用于高通量和长期神经科学研究的半植入式脑电极阵列

MEA通常是用于高通量和长期电生理记录的半植入式设备。传统的MEAs由多通道的单个无源传感器组成，但是它们的互连体占用了很大的空间，这严重限制了活体神经科学研究的高空间分辨率。Viventi等人采用基于硅纳米膜的晶体管阵列进行ECoG记录，以克服这一限制。基于柔性晶体管阵列的结构，数千个集成传感器可以通过较少的导线以多路方式操作。通过360个电极记录和绘制大脑皮层的活体活动，如睡眠、视觉刺激和癫痫发作。从猫癫痫模型可以发现，癫痫发作的典型特征是螺旋波在皮层传播，高空间分辨率设备可以以高时空分辨率伪彩色电影的形式直观显示（图18a）。除了设备的高通量特性外，神经电生理研究还需要长期的慢性电记录。对于稳定的活体神经科学研究，半植入式装置可以实现单细胞时空分辨率，但在长期监测过程中，运动损伤和慢性炎症会影响植入探针的功能和性能。Fu等人制造了一种柔性网状电子设备，该设备与神经元样硬度具有生物相容性，可支持34周的小鼠大脑高质量神经元信号记录（图18b）。这种神经元样装置可以记录自由行为小鼠的强大单神经元信号，为研究认知和神经退行性体内模型奠定了良好的基础。  

图18 通过半植入式设备进行高通量和长期神经科学研究。（a）在短时间内通过360个基于晶体管的阵列记录高通量µECoG信号。晶体管阵列可以以各种模式直观地显示高时空分辨率的电影帧。（b）通过神经元样半植入式装置长期记录慢性单神经元34周。  

19. 用于在体光学传感的半植入式脑电极传感器

光学传感和电化学传感的发现对神经科学的发展具有重要意义。最初的光学传感大多基于荧光蛋白的单电极传感。这种单电极光学生化传感器为神经科学的体内研究提供了解决方案，并为现代精密电极的发展奠定了基础。例如，GRABNE单电极传感器可检测活体小鼠、活体斑马鱼和自由放养小鼠的光遗传学和行为学触发的NE释放（图19a）。如图19b所示，超灵敏蛋白钙传感器GCaMP6可靠地检测神经元胞浆中的个体动作电位和单个树突棘中定向调节的突触钙瞬变。随着单电极成像的发展，双光子成像和高精度多功能成像正在成熟。乙酰胆碱参与多种神经活动，但一直很难检测到，通过半植入荧光双光子成像设备在体内成功检测到（图19c）。如图19d所示，可以监测急性GABA释放行为，对于图19e，可以测量多巴胺的瞬时变化量。从应用前景来看，光传感器的波分复用传感将应用于更多的场景。据报道，钙敏感近红外探针（NIR GECO1）与其他光遗传学指示器和致动器相结合，为多色钙离子成像开辟了新的前景（图19f）。  

图19 半植入式活体脑光学传感器。（a）基因编码的GPCR激活型去甲肾上腺素传感器，用于快速体内去甲肾上腺素特异性检测。（b）在小鼠视皮层2/3层锥体神经元中，超灵敏蛋白钙传感器（GCaMP6）检测到单个神经元体细胞动作电位和单个树突棘中突触瞬时钙的靶向调节。（c）基于G蛋白偶联受体激活的乙酰胆碱（GACh）传感器对外源性和/或内源性乙酰胆碱有选择地作出反应，产生强大的荧光信号，这些信号由多个动物物种的表观荧光、共焦和/或双光子显微镜捕获。（d）用于斑马鱼小脑表达的活体光片图像的遗传编码GABA荧光传感器。（e）用于体内高分辨率多巴胺成像的基因编码传感器。（f）遗传编码的近红外荧光钙离子指示剂NIR-GECO1与光生指示剂和致动器的光谱复用。  

20. 用于在体电化学传感的植入式脑电极

与常见的电化学透皮传感类似，大脑中的电化学传感依赖于工作电极和电分析技术。核酸适体修饰的微/纳米电极已成为检测脑内生化物质的主要方法。例如，据报道，一种基于电化学适体的体内可卡因传感器能够直接从离散的大脑位置测量可卡因。此外，适体功能化神经记录电极成功探测到大脑中自发和诱发的神经活动（图20a）。另一种基于电化学适体的传感器支持连续、实时、多小时的测量，甚至在清醒、活动的大鼠的血流中检测到四种药物（图20b）。该电化学适体传感器在临床相关检测限和高时间分辨率下实现了精确的分子测量，为生理学和药代动力学研究提供了重要途径。最近的一篇论文描述了一种透明、超柔性和有源多电极阵列，用于同时进行光遗传学和电化学传感（图20c）。  

图20 半植入式活体脑电化学传感器。（a）（左）可卡因检测实验体内实验设计的代表性矢状图。（右）全身静脉注射可卡因的体内检测。（b）基于电化学适体的传感器能够对清醒、活动大鼠的血流中的四种药物进行多小时实时测量。（c）有机电化学晶体管作为传感器和有机场效应晶体管作为多路复用器的集成，用于光遗传大鼠中电信号的空间映射。  

21. 用于在体脑内给药的半植入式脑电极

近年来，药物输送系统经常与多功能平台（如光调制和信号记录）结合使用，药物输送通道已根据应用需求从单通道演变为多通道。如图21a所示，在细胞水平上应用不同的刺激来研究和调节体内的神经回路，其中只有一个微流控通道用于药物输送。在图21b所示的示例中，具有多种功能的神经电极也能够输送多种药物。如上所述的多功能电极包含多个药物输送通道，不仅可以输送普通的神经药物，还可以输送携带特殊基因的载体病毒（图21c）。无线植入式药物释放电极的示例如图21d-f所示。图21d显示，该无线电极可以分析单一药物的剂量-反应关系，或测试几种不同药物在啮齿动物大脑中的作用。图21e和图21d之间的主要区别在于药物填充和流量可调特性。该技术能够针对自由活动动物的特定神经元群体。为了满足无线、长时间、重复和精确药物输送的更高要求，图21f所示的多通道、无线、受控药物输送提供了可靠的解决方案。该方案表明，光射流设备能够通过智能手机的蓝牙应用程序选择性控制特定小鼠，通过观察小鼠行为和脑内特征的变化揭示神经精神障碍的基础。  

图21 半植入式脑内给药装置。（a）一种多功能多柄单通道微流控释药神经探针，用于研究和调节体内远程神经回路。（b）在体内直接注射毛果芸香碱，记录四个神经元通过微流控通道在5种不同浓度的毛果芸香碱下进行分类。（c）通过双通道微流控探针将携带视蛋白基因的病毒载体注射到野生型（WT）小鼠后，检测野生型（WT）小鼠中视蛋白基因的表达。（d）通过单通道光射流系统将红色染料无线输送至大鼠模型的幻脑。（e）脑组织内的多功能无线液体输送可提供药物再灌注和可调节的流速。（f）在一组同时行为的小鼠中对药物输送进行无线选择性控制。

审核编辑 ：李倩