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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

更新時間:2024-08-19點擊次數(shù):215

隨著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為核心的新時代來臨,腦機(jī)接口技術(shù)已躍升為全球主要經(jīng)濟(jì)體競相布局的關(guān)鍵領(lǐng)域,旨在催生經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新引擎,并構(gòu)筑起國際競爭的新高地。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,快速推動原型制作和測試迭代,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)實和虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的可能性。

現(xiàn)狀與趨勢-技術(shù)帶動發(fā)展 創(chuàng)新賦能未來

腦機(jī)接口技術(shù)是指通過在人腦神經(jīng)與電子或者機(jī)械設(shè)備間建立直接連接通路,來實現(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,即腦電信號的采集,腦電信號的分析,依據(jù)腦電信號控制實施的行為,以及外界的反饋。其中的關(guān)鍵核心技術(shù)包括采集腦電信號的電極、神經(jīng)接口芯片、信號解碼等一系列前沿科技。



根據(jù)Grand View Research數(shù)據(jù)表明,2023年全球腦機(jī)接口的市場規(guī)模已達(dá)到20億美元,并預(yù)計從2024年至2030年將以17.8%的年復(fù)合增長率快速增長。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)帶動需求擴(kuò)張,政策上大力支持腦科學(xué)與類腦研究的發(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)計迭代,為研究人員提供了一個高效的平臺,使他們能夠迅速地進(jìn)行設(shè)計測試和優(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,對于不斷發(fā)展的腦機(jī)接口領(lǐng)域來說,無疑是推動其技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵因素。

Exaddon AG,作為一家專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,且整個過程無需任何后處理步驟。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,實現(xiàn)外部計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,通過精準(zhǔn)的神經(jīng)信號讀取和調(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)計超高靈活性,使得研究人員能夠根據(jù)需求定制電極,以優(yōu)化提高與生物組織的互動及信號采集效率。

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:在室溫下通過局部電沉積打印高導(dǎo)電性純金屬針和柱,打印后可對柱進(jìn)行涂覆。

挑戰(zhàn)與未來-原創(chuàng)技術(shù)賦能 突破研發(fā)壁壘

當(dāng)然,腦機(jī)接口技術(shù)并非簡單的即插即用,涉及到可植入技術(shù),通常稱為皮層電圖(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,其安裝過程相對復(fù)雜,需要能夠從大腦傳導(dǎo)電信號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。

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)了使用者在長期使用設(shè)備時對舒適度和耐久性的擔(dān)憂。同時,為了實現(xiàn)高保真信號傳導(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的μAM技術(shù)開發(fā)了一種PEDOT:PSS微針陣列,其電極覆蓋區(qū)域為10 × 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,而且有望在未來為腦機(jī)接口技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展奠定堅實的基礎(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中國市場的服務(wù)提供商及主要推廣合作伙伴,專注于推廣微納金屬3D打印技術(shù),提供設(shè)備支持并拓展市場。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)體封裝與測試等多個領(lǐng)域,共同推動技術(shù)革新與產(chǎn)業(yè)進(jìn)步。