在腦科學與神經工程飛速發展的今天，如何精準地讀取并寫入大腦的神秘密碼，一直是科學家們夜以繼日攻克的難題。傳統的金屬或硅基神經電極雖然堅固，但材質過硬，長期植入極易引發腦部炎癥；而新興的柔性電極雖解決了生物相容性問題，其繁瑣的微納加工工藝卻讓無數研究團隊望而卻步。

近日，國際權威期刊《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》發表了由紐約大學阿布扎比分校、韓國科學技術院及韓國加圖立大學等團隊聯合完成的一項突破性成果，題為“A 3D-Printing-Based Optogenetic Neural Stimulator Integrated with Three Neural Recording Channels”。該研究展示了一種基于3D打印技術的光遺傳神經刺激器。這款僅有數百微米寬的微型探針，不僅完美集成了光學刺激與三通道神經信號記錄功能，更徹底顛覆了傳統腦機接口器件的制造流程，為神經科學研究提供了前所未有的便捷與高效。

此次研發的3D打印光遺傳神經刺激器，徹底顛覆傳統制造邏輯，以3D打印技術為核心，制造出集單LED光刺激 + 三通道神經記錄于一體的微型化、輕量化、高集成度設備，兼具低成本、易定制、生物相容性好等多重優勢，完美解決傳統設備的核心痛點。該刺激器整體尺寸僅為310 μm寬、165 μm厚，探針露出長度6 mm，體積遠小于一枚硬幣，其微型化設計可顯著降低植入過程中對腦組織的機械損傷。其核心結構分為兩層，分別負責LED安裝連接與記錄通道集成，兩層通過3D打印的定位孔與溝槽精準對齊組裝，無需復雜微加工，大幅簡化生產流程。其中刺激器的外殼部分是由摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術（microArch? S240，精度：10 μm）打印而成。

圖1. 具有三個記錄通道的3D打印光遺傳神經刺激器設計概覽。

圖2. 光遺傳神經刺激器的制造工藝。

為了全面評估3D打印探針的實際性能，研究團隊對其進行了一系列嚴苛的體外與體內驗證。電化學阻抗譜測試表明，其三通道記錄電極在生理鹽水中表現出了優異且穩定的導電性能，完全滿足微弱神經信號的采集需求。光學測試則顯示，盡管LED體積微小，但其發出的470納米藍光強度遠超激活神經元所需的閾值，且光斑高度集中，能夠實現單皮層柱級別的精準刺激。

圖3. (a) 用于尺寸比較的裝置放置在一美分硬幣上。插圖展示了該裝置尖端部分的俯視圖和側視圖，包括其尺寸參數。(b) 該裝置在不同供電電流下發出光信號。(c) 裝置的電流-電壓（I-V）特性曲線測量結果（n = 5，誤差條表示標準差（S.D.））。(d) 集成LED的測得光強度值（n = 3，誤差條表示標準差）。(e) 基于結合幾何發散和指數衰減的光傳播模型計算得出的光學刺激有效距離。(f) 不同光波長下的相對光強度與ChR2激活光譜的對比。

安全性同樣是腦內植入設備不可忽視的紅線。大腦組織極為脆弱，局部溫度升高超過2℃便可能造成不可逆的細胞損傷。為此，研究人員專門模擬了活體環境，將探針置于仿腦組織凝膠中，在不同電流與脈沖寬度下嚴密監測其發熱情況。實驗數據最終劃定了安全的刺激參數范圍，證實了該器件在熱學層面的絕對安全。

圖4. (a) 3D打印部件的納米壓痕測量結果（n = 6，誤差條表示標準差）。(b) 裝入0.6%瓊脂糖凝膠后在發光過程中的插入測試。比例尺為600 μm 。(c) 熱性能測量裝置的整體示意圖。(d) 設備插入瓊脂糖凝膠后，在不同LED電流、刺激脈沖寬度和刺激脈沖頻率條件下發光時的溫度變化曲線。

最終，研究人員將這根比頭發絲還要纖細的探針成功植入小鼠的大腦，當微弱的電流驅動LED發出藍光時，深埋在腦組織中的三根記錄電極同步捕捉到了清晰的神經元放電信號。實驗不僅證明了該設備具備出色的機械強度，能夠無損穿透腦膜，更是首次利用3D打印技術，在同一微小位點上實現了“刺激-讀取”的完整閉環。

圖5. (a) 小鼠大腦體內探針植入的手術操作流程。(b) 無刺激時（上圖）與LED驅動光遺傳學刺激期間（下圖）的原始神經記錄數據。(c) 分選后的單個神經脈沖疊加圖。(d) 記錄數據的刺激前后時間直方圖（PSTH ，實線：平均值；陰影區域：均數標準誤[SEM]）。(e) 刺激關閉與刺激開啟條件下的平均放電頻率比較（***p < 0.001，雙側非配對Student t檢驗，n = 1,8次試驗）。

實驗室到臨床，這款3D打印光遺傳神經刺激器的價值遠超技術突破本身。在科研領域，它無需復雜微加工設備，普通實驗室即可快速定制制備，大幅降低光遺傳研究門檻，助力科研人員高效解析神經環路機制、探索疾病發病機理。在臨床轉化層面，其微創、可定制、生物相容的特性，適配不同患者的腦部結構差異，為帕金森、抑郁癥、癲癇等疾病的精準神經調控治療提供全新方案。

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