微納3D打印：賦能腦機(jī)接口，建立人腦與世界的高帶寬連接

來(lái)源： PuSL摩方高精密

隨著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為核心的新時(shí)代來(lái)臨，腦機(jī)接口技術(shù)已躍升為全球主要經(jīng)濟(jì)體競(jìng)相布局的關(guān)鍵領(lǐng)域，旨在催生經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新引擎，并構(gòu)筑起國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的新高地。與傳統(tǒng)制造方法相比，3D打印可以顯著降低腦機(jī)接口技術(shù)的生產(chǎn)成本，快速推動(dòng)原型制作和測(cè)試迭代，加速腦機(jī)接口技術(shù)的創(chuàng)新和改進(jìn)，為其在人工智能、生物醫(yī)療、疾病康復(fù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的可能性。

現(xiàn)狀與趨勢(shì)
腦機(jī)接口技術(shù)是指通過(guò)在人腦神經(jīng)與電子或者機(jī)械設(shè)備間建立直接連接通路，來(lái)實(shí)現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)和外部設(shè)備間信息交互與功能整合的技術(shù)。典型的腦機(jī)接口系統(tǒng)一般分為四部分，即腦電信號(hào)的采集，腦電信號(hào)的分析，依據(jù)腦電信號(hào)控制實(shí)施的行為，以及外界的反饋。其中的關(guān)鍵核心技術(shù)包括采集腦電信號(hào)的電極、神經(jīng)接口芯片、信號(hào)解碼等一系列前沿科技。

*圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)Grand View Research數(shù)據(jù)表明，2023年全球腦機(jī)接口的市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)到20億美元，并預(yù)計(jì)從2024年至2030年將以17.8%的年復(fù)合增長(zhǎng)率快速增長(zhǎng)。隨著神經(jīng)假體設(shè)備的疾病流行率的增加、全球老年人口基數(shù)的上升，龐大的患者群體基數(shù)帶動(dòng)需求擴(kuò)張，政策上大力支持腦科學(xué)與類(lèi)腦研究的發(fā)展，技術(shù)上“產(chǎn)學(xué)研醫(yī)”緊密協(xié)同，腦機(jī)接口行業(yè)在多因素促進(jìn)下有望邁入發(fā)展快車(chē)道。

在傳統(tǒng)制造技術(shù)面臨挑戰(zhàn)的背景下，3D打印不僅能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜電極的精確制造，顯著降低生產(chǎn)成本，快速原型制作和設(shè)計(jì)迭代，為研究人員提供了一個(gè)高效的平臺(tái)，使他們能夠迅速地進(jìn)行設(shè)計(jì)測(cè)試和優(yōu)化，從而加速腦機(jī)接口技術(shù)的創(chuàng)新與改進(jìn)。這種靈活性和快速響應(yīng)能力，對(duì)于不斷發(fā)展的腦機(jī)接口領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是推動(dòng)其技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵因素。

Exaddon AG，作為一家專(zhuān)注于微納金屬增材制造（µAM）技術(shù)創(chuàng)新性解決方案提供商，其CERES 3D打印系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在室溫條件下直接生產(chǎn)和修復(fù)微納金屬物體，且整個(gè)過(guò)程無(wú)需任何后處理步驟。該技術(shù)的應(yīng)用之一，便是制造用于腦機(jī)接口的微型電極，這些電極旨在植入大腦，實(shí)現(xiàn)外部計(jì)算能力與大腦的直接連接。這一突破性的應(yīng)用為帕金森病或阿爾茨海默癥等嚴(yán)重神經(jīng)退行性疾病患者的生活質(zhì)量改善提供了可能性，通過(guò)精準(zhǔn)的神經(jīng)信號(hào)讀取和調(diào)控，助力于恢復(fù)或增強(qiáng)他們的認(rèn)知與運(yùn)動(dòng)功能。

Exaddon AG的CERES系統(tǒng)憑借其基于電化學(xué)沉積的金屬增材制造技術(shù)（μAM），不僅確保了金屬電極的高導(dǎo)電性和優(yōu)異的生物相容性，為植入設(shè)備提供了關(guān)鍵保障，而且賦予了電極微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)超高靈活性，使得研究人員能夠根據(jù)需求定制電極，以?xún)?yōu)化提高與生物組織的互動(dòng)及信號(hào)采集效率。

△高縱橫比：直接在預(yù)圖案化軌跡或接觸墊上以微米級(jí)精度打印高寬比（100:1）的結(jié)構(gòu)。

△銅或金微柱：在室溫下通過(guò)局部電沉積打印高導(dǎo)電性純金屬針和柱，打印后可對(duì)柱進(jìn)行涂覆。

挑戰(zhàn)與未來(lái)
當(dāng)然，腦機(jī)接口技術(shù)并非簡(jiǎn)單的即插即用，涉及到可植入技術(shù)，通常稱(chēng)為皮層電圖（ECoG），直接貼合大腦表面，提供比外部電極更為精確的信息。然而，其安裝過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，需要能夠從大腦傳導(dǎo)電信號(hào)的生物相容微型電極，這些電極必須足夠精密微小，以便能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地植入體內(nèi)。其中“μECoG”技術(shù)（微型電極），是近期的一項(xiàng)重大創(chuàng)新，正以迅猛的速度逐步成為領(lǐng)域內(nèi)的關(guān)注焦點(diǎn)。


現(xiàn)有可植入技術(shù)的關(guān)鍵局限性之一是“傳統(tǒng)硬質(zhì)電子材料與人體動(dòng)態(tài)、柔軟且彎曲的特性之間的機(jī)械不匹配”。這種不匹配引發(fā)了使用者在長(zhǎng)期使用設(shè)備時(shí)對(duì)舒適度和耐久性的擔(dān)憂。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)高保真信號(hào)傳導(dǎo)，所用材料必須具備優(yōu)異的導(dǎo)電性，這在非金屬材料中尤其具有挑戰(zhàn)性。目前的技術(shù)方案主要依賴(lài)于金或鉑電極，而基底材料的選擇涵蓋了銥、鉑、聚酰亞胺、金等。

為了解決這一問(wèn)題，研究人員研發(fā)了一種具有微柱陣列的柔性基底。Malliaras等研究者利用Exaddon獨(dú)特的μAM技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種PEDOT:PSS微針陣列，其電極覆蓋區(qū)域?yàn)?0 × 10 µm²，電極間的中心距離為60 µm。這些創(chuàng)新的研究成果不僅為神經(jīng)科學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域提供了新的思路，而且有望在未來(lái)為腦機(jī)接口技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

△精細(xì)間距陣列：間距可以根據(jù)需要定制。圖像：40 x 40陣列，由直徑1.6 μm的銅柱組成，以25 μm的間距打印，總共1600根微柱。

瑞士Exaddon AG已與摩方精密建立長(zhǎng)期戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系。根據(jù)協(xié)議，摩方精密作為Exaddon AG中國(guó)市場(chǎng)的官方服務(wù)提供商及主要推廣合作伙伴，專(zhuān)注于推廣微納金屬3D打印技術(shù)，提供設(shè)備支持并拓展市場(chǎng)。雙方共同致力于將微納3D打印技術(shù)廣泛應(yīng)用于人工智能、腦機(jī)接口、生物醫(yī)藥、半導(dǎo)體封裝與測(cè)試等多個(gè)領(lǐng)域，共同推動(dòng)技術(shù)革新與產(chǎn)業(yè)進(jìn)步。