耦合微流控功能的三维神经微电极阵列及其应用研究

At the cellular and network level, spatiotemporally coordinated activity of large populations of single neurons is crucial for understanding higher functions of the nervous system. Due to its capability for non-invasive multisite recording and stimulation, planar microelectrode arrays (MEAs) has proven to be a powerful tool for high-resolution interrogation of electrophysiological activity of neural network. However, due to cell migration during culturing, low signal-to-noise ratio and the absence of high-resolution chemical stimulation, it is difficult for current MEA techniques to obtain an accurate portrayal of the signals transmitted in complex neural network and the effect of outside influences on those transmissions. In order to study the dynamics of complex neural networks and monitor the responses of neuronal micro-circuit to external stimulation more effectively and accurately, this program presents a novel MEA platform to enable high sensitive recording, and high precise spatial stimulation and reliable spatio-temporal analysis of neuronal signals by fabricating 3D barrier-type MEAs coupled with micro?uidic arrays. This MEA chip holds promise to provide an efficient tool for studying the activity of neural network and higher functions of nervous system and to move the study of neuroscience into the fast lane.

在细胞和网络水平，精确定位和分析神经元群体活动的时空特性对于我们理解神经系统的高级功能具有重要意义。由于其无损、多位点同时记录和刺激的特性，神经微电极阵列（microelectrode array, MEA）已成为体外研究神经网络电生理活动最强有力的工具。但是，现有MEA技术仍然存在记录信号信噪比低、实验中神经细胞易迁移以及无法实现高分辨率的外部化学刺激等缺点，因此难以对复杂神经网络中神经元活动发生、传递和响应等过程进行高精度、可靠的时空相关性研究。为了更有效和精确地研究神经网络活动的动态过程，本项目拟研制一种耦合微流控功能单元的、可维持细胞定位的三维MEA芯片，以实现对神经信号的高灵敏检测、神经元细胞群体的定位化学刺激以及神经网络活动时空相关性的可靠研究，从而为神经网络活动和神经系统高级功能研究提供有效的手段和工具，促进神经科学的快速发展。

在细胞和网络水平，精确定位和分析神经元群体活动的时空特性对于我们理解神经系统的高级功能具有重要意义。由于其无损、多位点同时记录和刺激的特性，神经微电极阵列（microelectrode array, MEA）已成为体外研究神经网络电生理活动最强有力的工具。但是，现有 MEA 技术仍然存在记录信号信噪比低、实验中神经细胞易迁移以及无法实现高分辨率的外部化学刺激等缺点，因此难以对复杂神经网络中神经信号的发生、传递和响应等过程进行高精度、可靠的时空相关性研究。为了更有效和精确地研究神经网络活动的动态过程，本项目提出了一种耦合微流体管道阵列的三维 MEA 芯片，以实现对神经信号的高灵敏检测、神经元细胞群体的定位化学刺激以及神经网络活动时空相关性的可靠研究。围绕构建集成微流控功能的三维MEA芯片及相关系统这一目标，本项目主要开展了以下几个方面的研究：①研究和优化了基于C-MEMS技术的三维碳基MEA制作工艺，并进一步研究和探索了可兼容碳基MEA制作工艺的、基于牺牲层材料的内嵌式微管道阵列制作工艺，成功实现了碳基三维神经微电极阵列与微流体管道结构的集成，并初步应用于集成药物缓释功能柔性神经微电极阵列的制作（药物缓释能力可维持10天以上）；②研究和探索了基于石墨烯材料的柔性场效应管阵列的制作工艺，成功实现了具有高灵敏神经信号记录能力的液栅型的石墨烯场效应管阵列（可检测~100μV微弱神经电信号，信噪比为21.7 dB）；③研究和优化了MEA表面选择性图形化修饰方法，用以控制MEA表面神经细胞轴突的定向生长，应用该方法成功构建了具有人工拓扑结构的神经细胞网络（所构建的神经细胞网络图形可维持3周以上）。通过本项目研制的多种新型神经微电极阵列芯片，大大改善了神经信号的检测灵敏度、以及开辟了MEA技术开展多种刺激和神经网络活动时空相关性研究的可行性，从而为神经网络活动和神经系统高级功能研究提供有效的手段和工具，有望促进神经科学的快速发展。另外，本项目研究过程中共发表论文22篇（其中SCI论文11篇），申请专利7项（其中已获授权1项），培养研究生4名（其中博士生2名，硕士生两名）。