可注射网状电子器件用于稳定的大鼠慢性电生理记录

该方法有助于回答神经科学领域的一些关键问题，例如衰老过程在大脑中如何表现、大脑如何发育，以及脑部疾病如何发生和发展。该技术的主要优势在于，一旦植入大脑，网状电子器件不会在胶质增生过程中引发慢性免疫反应，并且能够与周围神经组织实现无缝整合。本次实验操作将由Lieber研究组的博士研究生周涛和博士后研究员Jung Min Lee进行演示。

开始实验时，将一片洁净的硅片装入热蒸发仪中，并蒸镀100纳米厚的镍层。接着，在硅片上旋涂SU-8 2000.5型负性光刻胶，转速为每分钟400转，使SU-8的厚度约为400至500纳米。随后将硅片装入掩模对准仪中，使用对应于底部网格SU-8层的光刻掩模一进行曝光。

在 I 线波长下以 100 毫焦耳/平方厘米的剂量进行曝光。然后，将晶圆浸入盛有 SU-8 显影液的托盘中。轻轻搅动溶液两分钟，直至 SU-8 中的网格图案完全显影。

然后，将晶圆放入盛有异丙醇的托盘中冲洗一分钟，并用气流吹干。将晶圆在热板上于180摄氏度下坚膜烘烤一小时。随后，在晶圆表面以每分钟4,000转的速度旋涂LOR 3A，获得约300纳米厚度的涂层。

以4,000转/分钟的速度旋涂S1805正性光刻胶，获得约500纳米的厚度。随后将晶圆装入掩模对准仪，使用对应金属互连层及输入/输出焊盘的光刻掩模二对S1805进行曝光。在H线波长下以40毫焦耳/平方厘米的剂量曝光后，将晶圆浸入盛有CD-26光刻胶显影液的显影槽中。

轻轻搅动溶液一分钟，直至金属互连图案完全形成。将晶圆放入去离子水托盘中冲洗一分钟，然后吹干。接着，先热蒸发沉积3纳米铬，再沉积80纳米金。

将晶圆浸入盛有PG剥离液的平底烧杯中约三小时，直至金属层完全被 undercut，仅在网格电子器件所需的互连及输入、输出焊盘区域保留金属。重复旋涂、光刻、蒸发和剥离工艺，在电极区域留下3纳米厚的铬层和50纳米厚的铂层。随后，重复SU-8的旋涂和光刻工艺，以定义顶部的SU-8网格层。

将晶圆置于50瓦的氧气等离子体中处理1分钟。随后，将晶圆浸入镍蚀刻液中约3小时，直至网状电子器件完全从硅晶圆上释放。使用巴斯德移液管将释放后的网状电子探针从镍蚀刻液转移至盛有100毫升去离子水的烧杯中。

然后，将网状电子器件至少转移至新鲜的去离子水烧杯中三次，以确保充分清洗。为了将网状电子器件装入针头，将玻璃毛细管针头插入盛有网状电子器件的100毫升PBS烧杯中。将针头末端置于网状电子器件探针的输入端和输出端焊盘附近，并手动回拉注射器，将网状电子器件探针吸入针头内。

在针头仍浸入生理盐水中的情况下，推动和拉动注射器活塞，以调整网状电子器件在针头内的位置。要将网状电子器件注入小鼠脑内，需使用牙科钻和立体定位仪，在颅骨的预定坐标处打开一个颅骨窗。在远离注射部位的位置打开第二个颅骨窗，用于插入不锈钢记录螺钉或导线。

然后，使用牙科水泥将夹紧基板固定在颅骨上。在基板上制作一条约一毫米宽的切口，可提高后续操作中折叠步骤的可靠性。随后，使用直角末端夹具将装有含网格电子器件针头的移液器 holder 安装到立体定位仪框架上。

将移液器支架的侧管出口连接至固定在注射泵上的5毫升注射器，使用长度为0.5至1米的毛细管。然后，利用立体定位仪将针尖定位在脑内目标起始位置。调整相机位置，使其显示玻璃针内网状电子探针的顶端。

通过将注射泵设置为低速并按下启动键来启动流体。如果网状电子探针在针头内未移动，则缓慢增加流速。当网状电子探针开始在针头内移动时，使用立体定位仪以相同的速度回撤针头，回撤速度应以网状电子探针标记的原始位置为参考，确保与注射速度一致。

继续灌注生理盐水并缓慢撤出针头，直至针头完全退出颅骨。随后停止注射泵的液体流动。在此操作步骤中，使用立体定位仪小心引导针头到达跨越间隙的平坦柔性电缆夹持基底，并通过注射泵输送溶液，以在网状电子器件互连部分产生适当的松弛。

当针头到达夹持基底上方并跨过间隙后，恢复快速流速，将网状电子器件的输入和输出焊盘注入到夹持基底上。使用镊子和去离子水移液管，将输入和输出焊盘尽可能靠近第一个输入/输出焊盘处弯折至90度角。当输入和输出焊盘对齐并折叠成与网状主干呈90度角后，用轻柔流动的压缩空气原位吹干。

从输入端和输出端焊盘边缘起，沿平直边缘裁剪夹紧基板，距离约为0.5至1毫米。同时，剪除夹紧基板上会妨碍插入PCB上32通道ZIF连接器的多余部分。然后，将输入端和输出端焊盘插入PCB上的ZIF连接器，并合上锁扣。

使用测量电子设备测量各通道与接地螺钉之间的阻抗，以确认连接成功。若阻抗值过高，需松开ZIF连接器，调整插入位置后重新测试，直至确认连接成功。随后，用牙科水泥覆盖ZIF连接器及暴露的网状电子互连部分，以提供保护。

在基底的间隙处翻转PCB，并使用水泥将PCB固定在小鼠颅骨上。对于自由活动记录，在插入前置放大器PCB并接地参考螺钉后，将小鼠从固定装置中释放。在小鼠自由活动的同时，使用数据采集系统记录所需时长的信号。

图中显示的是注入小鼠海马体和体感皮层的 32 通道网状电子探针记录的代表性局部场电位热图。数据分别在注射后两个月和四个月时，小鼠自由探索笼子期间记录。局部场电位振幅根据右侧的颜色条进行颜色编码。

高通滤波轨迹（黑色）显示了每个32个通道的频谱图上的尖峰活动。此处为数据分选后绘制出的分离尖峰。在注射后两个月和注射后四个月，32个通道中有26个通道均检测到单个神经元的放电活动。

在进行该操作时，重要的是要记得测试输入/输出（I/O）接口，以确认与网状电子探针的电连接成功。测量阻抗有助于排查问题来源，对于识别接口或制备过程中的问题至关重要。完成该操作后，可进行组织学分析，以研究每个记录电极周围的细胞环境。

与传统的刚性脑部探针不同，网状电子器件可在组织学过程中保留在组织内，从而能够精确定位电生理数据与免疫组织化学分析结果之间的对应关系。