纽约大学×韩科院，3D打印“全能型”神经探针！

在脑科学与神经工程飞速发展的今天，如何精准地读取并写入大脑的神秘密码，一直是科学家们夜以继日攻克的难题。传统的金属或硅基神经电极虽然坚固，但材质过硬，长期植入极易引发脑部炎症；而新兴的柔性电极虽解决了生物相容性问题，其繁琐的微纳加工工艺却让无数研究团队望而却步。

近日，国际期刊《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》发表了由纽约大学阿布扎比分校、韩国科学技术院及韩国加图立大学等团队联合完成的一项突破性成果，题为“A 3D-Printing-Based Optogenetic Neural Stimulator Integrated with Three Neural Recording Channels"。该研究展示了一种基于3D打印技术的光遗传神经刺激器。这款仅有数百微米宽的微型探针，不仅集成了光学刺激与三通道神经信号记录功能，更改变了传统脑机接口器件的制造流程，为神经科学研究提供了便捷与高效。

此次研发的3D打印光遗传神经刺激器，改变传统制造逻辑，以3D打印技术为核心，制造出集单LED光刺激 + 三通道神经记录于一体的微型化、轻量化、高集成度设备，兼具低成本、易定制、生物相容性好等多重优势，解决传统设备的核心痛点。该刺激器整体尺寸仅为310 μm宽、165 μm厚，探针露出长度6 mm，体积远小于一枚硬币，其微型化设计可显著降低植入过程中对脑组织的机械损伤。其核心结构分为两层，分别负责LED安装连接与记录通道集成，两层通过3D打印的定位孔与沟槽精准对齐组装，无需复杂微加工，大幅简化生产流程。其中刺激器的外壳部分是由摩方精密面投影微立体光刻（PμSL）技术（microArch® S240，精度：10 μm）打印而成。

为了全面评估3D打印探针的实际性能，研究团队对其进行了一系列严苛的体外与体内验证。电化学阻抗谱测试表明，其三通道记录电极在生理盐水中表现出了优异且稳定的导电性能，解决微弱神经信号的采集需求。光学测试则显示，尽管LED体积微小，但其发出的470纳米蓝光强度远超激活神经元所需的阈值，且光斑高度集中，能够实现单皮层柱级别的精准刺激。

安全性同样是脑内植入设备不可忽视的红线。大脑组织极为脆弱，局部温度升高超过2℃便可能造成不可逆的细胞损伤。为此，研究人员专门模拟了活体环境，将探针置于仿脑组织凝胶中，在不同电流与脉冲宽度下严密监测其发热情况。实验数据最终划定了安全的刺激参数范围，证实了该器件在热学层面的绝对安全。

图4. (a) 3D打印部件的纳米压痕测量结果（n = 6，误差条表示标准差）。(b) 装入0.6%琼脂糖凝胶后在发光过程中的插入测试。比例尺为600 µm 。(c) 热性能测量装置的整体示意图。(d) 设备插入琼脂糖凝胶后，在不同LED电流、刺激脉冲宽度和刺激脉冲频率条件下发光时的温度变化曲线。

最终，研究人员将这根比头发丝还要纤细的探针成功植入小鼠的大脑，当微弱的电流驱动LED发出蓝光时，深埋在脑组织中的三根记录电极同步捕捉到了清晰的神经元放电信号。实验不仅证明了该设备具备出色的机械强度，能够无损穿透脑膜，更是利用3D打印技术，在同一微小位点上实现了“刺激-读取"的完整闭环。

图5. (a) 小鼠大脑体内探针植入的手术操作流程。(b) 无刺激时（上图）与LED驱动光遗传学刺激期间（下图）的原始神经记录数据。(c) 分选后的单个神经脉冲叠加图。(d) 记录数据的刺激前后时间直方图（PSTH ，实线：平均值；阴影区域：均数标准误[SEM]）。(e) 刺激关闭与刺激开启条件下的平均放电频率比较（***p < 0.001，双侧非配对Student t检验，n = 1,8次试验）。

实验室到临床，这款3D打印光遗传神经刺激器的价值远超技术突破本身。在科研领域，它无需复杂微加工设备，普通实验室即可快速定制制备，大幅降低光遗传研究门槛，助力科研人员高效解析神经环路机制、探索疾病发病机理。在临床转化层面，其微创、可定制、生物相容的特性，适配不同患者的脑部结构差异，为帕金森、抑郁症、癫痫等疾病的精准神经调控治疗提供全新方案。