华体会平台官网电话


华体会平台官网电话:气溶胶喷射(Aerosol Jet)3D打印实现:世界上先进的脑机接口制造 云尚智造

2022-04-25 13:40:59 |来源:hth华体会最新网站 作者:hth华体会网页版

  原标题:气溶胶喷射(Aerosol Jet)3D打印实现:世界上先进的脑机接口制造 云尚智造

  云尚智造是Aerosol Jet 3D打印技术发明者和专利拥有者(Optomec公司)在中国教育及科研领域的唯一授权总代理。

  我们在北京总部建立了Aerosol Jet 3D打印应用和服务中心,可为国内用户提供按需打印、技术咨询、设备安装和技术支持等相关服务。

  • 埃隆·马斯克(Elon Musk)的Neuralink公司正在开发下一代探针阵列

  骨骼肌具有显着的再生能力,可在损伤后恢复其结构和功能,但临界肌肉体积的创伤性损失除外,称为体积性肌肉损失(VML)。虽然已经建立了许多肢体VML模型,但是由于缺乏体内分析工具,颅面VML还没有得到很好的研究。本文报道了一种无线、无创的纳米膜系统,该系统集成了皮肤可穿戴打印的传感器和电子设备,用于实时、连续地监测颅面肌肉上的体积性肌肉损失(VML)。颅面 VML 模型使用活检穿孔诱导的咬肌损伤,显示肌肉再生受损。为了在咀嚼过程中测量活跃小鼠的小而圆的咬肌的电生理学,使用了一种具有可拉伸石墨烯传感器的可穿戴纳米膜系统,该传感器可以层压到目标肌肉上的皮肤上。无创系统对有或没有 VML 损伤的咬肌提供高度灵敏的肌电图检测。此外,还证明了无线传感器可以监测颅面 VML 移植手术后的恢复情况。总体而言,本研究显示了咬肌 VML 损伤模型和可穿戴检测工具在颅面 VML 机制研究和治疗发展方面的巨大潜力。

  近期,来自乔治亚理工学院、埃默里大学的研究人员,开发了一种完全便携的无线电子系统,可以连续监测小鼠肌肉的 EMG 活动,这是一种广泛使用的脊椎动物模型肌肉生物学。超薄、轻薄、生物相容的纳米材料与安装在小鼠皮肤上的柔软、轻便的平台相结合,可以在没有行为限制的情况下进行无缝的肌肉功能分析。此外,小型化无线系统证明了其在微尺度领域进行无创和连续手术治疗诊断的潜力。该项目对于纳米膜电子系统的制造利用了多种纳米制造技术,包括石墨烯膜电极的高分辨率印刷工艺和传统的光刻技术,基于薄膜的电路的金属化工艺,以及利用PI膜和石墨烯膜在涂有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的载玻片上连续打印成蛇形图案制成电极的微纳级气溶胶喷射(Aerosol Jet)3D打印技术等。

  图1.利用无线纳米膜电子学对小鼠颅面VML进行功能测定 A ) 用于对咬肌的颅面VML进行功能定量的小鼠皮肤上的无线电子系统的示意图。在移动设备上持续监测脸颊区域的鼠标EMG。插图显示了咬合器冲压诱发VML的过程和移植治疗咬合器VML的过程。咬肌作为颅面VML的模型,通过穿刺活检损伤咬肌。VML损伤的咬肌移植一块胫前肌(TA)或咬肌,以填充受伤区域。 B ) 软电路(左)和可伸缩传感器(右)的多层结构的示意图。 C ) 肌肉活检以在咬肌中创建VML。咬肌中部用3mm的穿刺活检。箭头表示活检的肌肉碎片。 D ) 咀嚼过程中活动鼠标与设备的光学图像。 E ) 收集分析肌肉功能的定量指标的流程图。

  我们利用纳米制造工艺制造可穿戴皮肤的电极。两个电极通过气溶胶喷射打印 (AJP) 成蛇形,以最大限度地提高可拉伸性。导电柔性薄膜在传感器和软电路之间建立连接。 打印的石墨烯膜的宽度为 0.55 毫米。打印的石墨烯和聚酰亚胺 (PI) 膜在弹性体上堆叠良好(图 2B 中的左图),石墨烯片形成无边界的完整薄膜,以增强导电性(图 2B 中的右图)。通过在石墨烯下方插入低剖面石墨烯膜和 PI 层,电极可以在制造和测量过程中承受机械变形。我们确认石墨烯薄膜上没有薄膜损坏或裂缝。来自原子力显微镜 (AFM) 的图像捕捉到了印刷石墨烯层的均匀形态(图 2C)。打印过程的详细信息如图 S1(支持信息)所示。

  图2.石墨烯膜电极和无线软电路的表征。A) 弹性膜上可拉伸打印电极的照片。B) 多层电极的横截面(左)和俯视图(右)SEM图像。C) 显示打印石墨烯表面粗糙度的AFM图像。平均RMS为72.9nm,这捕获了打印石墨烯层中的均匀性。D) 对照和石墨烯上培养细胞的细胞吸光度(左)和光(右)比较。数据进行单因素方差分析(ANOVA)(ns =无统计学显著性)。误差条代表标准误差。E)根据100次循环拉伸应变变化(底部)的60%表示相对电阻变化(顶部)的图表。F) 光学图像,捕捉微型化、轻质、软电路(左)。该电路的总重量为3.17g,包括带滑动开关(右图)的可充电电池(40 mAh容量)。G) 多功能电子元件的电路设计示意图。根据蓝牙通信距离的RSSI响应,显示保持的数据传输速率1104字 节s-¹ 。I) 显示来自可穿戴传感器系统的实时连续运动(加速度计和陀螺仪)和EMG信号的移动设备应用接口。J)可变电路在循环载荷下的电阻变化(100次,弯曲180度,曲率半径1.5mm),表明电阻变化可忽略不计。

  图3.颅面VML建立与咬肌再生缺损 A ) 小鼠咬肌颅面VML图示。 B ) 在6个月大的 雄性 和 雌性 中,3mm的穿刺活检导致不同程度的肌肉损失。 C ) 咬肌在VML损伤(dpi)后7天(左)和28天(右)的组织学。肌肉切片用苏木精和伊红染色,可见核(紫色)和胞浆(红色)。虚线区域表示非肌肉区域。在下图中放大小方形图像以显示肌肉组织的细胞成分。下图中的箭头表示含有中央细胞核的肌纤维,这是肌纤维再生的特征。 D ) 非肌肉区域在伤后7天和28天占咬肌的大部分。误差条表示平均值(SEM)的标准误差。 E ) 伤后7天和28天再生肌纤维数量非常低。数据通过Student t检验进行分析。ns =无统计学显著性。 F ) VML损伤后7天(左)和28天(右)咬肌纤维化。肌肉切片用Massion三色染色法显示肌肉组织的纤维化区域(蓝色)(棕色)

  图4.无线、可穿戴式肌电图系统,用于评估VML受损咬肌的功能。A) 在薄膜医疗贴片上完全集成无线可穿戴电子设备。B) 照片显示,一个超薄的可拉伸肌电传感器连接在一只裸鼠的脸颊(左)和背部(右)的软电路上。C) 实验装置的照片,一只老鼠在笼子里。实时、连续运动和肌电数据由带有嵌入式应用程序的移动设备监控和记录。电影S1(支持信息)展示了一个使用可穿戴电子设备进行无线实时肌电监测的示例。D) 在静息状态(顶部)和咀嚼阶段(底部),用未受伤的小鼠测量实时肌电信号的比较,显示出明显的信号差异。E) 未受伤小鼠的照片(上图)和30天后VML损伤小鼠的照片(下图)。箭头指示VML受伤区域的位置。F) 咀嚼过程中的代表性RMS肌电信号对应于E)中的两种情况。在受伤后30天,未受伤病例(上图)和VML受伤咬肌(下图)之间观察到明显的信号差异。G) 总结了咀嚼过程中未受伤和VML后受伤咬肌之间的EMG SNR数据。数据分析采用非配对双尾学生t检验**p0.01。

  图5.监测移植后 VML 损伤的咬肌的功能恢复。A-B) 显示用野生型小鼠 (B) 的TA (蓝色)或咬肌(红色)肌肉的活检片段填充免疫缺陷小鼠 (NRG) 的咬肌的活检穿孔诱导的VML区域 (A) 的实验方案。在VML损伤/移植后30天进行肌电图测量和纤维化分析。C) 使用TA和咬肌移植对未损伤和VML损伤的咬肌进行切片,并用ColVI抗体(红色)标记以测量纤维化。DAPI染色用于标记肌肉切片的细胞核。D) Col VI染色的平均强度表明,TA或咬肌移植在移植的VML损伤的 咬 肌中产生了相当程度的纤维化。每组n=3,误差条代表平均值的标准误差。数据采用双因素方差分析。p**0.01。E)比较TA(中间)或咬肌(底部)肌肉移植后未受伤(顶部)和VML损伤咬肌肌肉的过滤肌电图。F)从TA(左)和咬肌(右)移植的咬肌测量的RMS-EMG信号。G) 与未损伤肌肉相比,移植肌肉组VML的SNR值降低(n=3)。TA或咬肌移植可使VML损伤的咬肌产生类似水平的功能恢复。数据采用双因素方差分析。p*0.05。

  尽管目前的研究在小鼠身上实现了有意义的连续肌电监测,但运动伪影影响了信号分析。尽管采用了薄型软膜电极,但该设备的尺寸略大于目标肌肉。此外,我们还观察到,测试鼠标偶尔会试图划伤设备,这可以通过进一步缩小第二代设备的电路和传感器来解决。[49,50]此外,我们还引入了一种运动传感器,用于排除高运动活动时的肌电信号,以收集咀嚼过程中的肌电活动。基于机器学习的算法可以为进一步的研究提供自动信号识别和行为分类。[51,52]由于EMG信号可能会因电极连接的区域而略有不同,因此随着样本数量的增加,需要不断定位准确的结果。然而,新开发的无线肌电系统显示出足够的灵敏度来确定咬肌的功能。我们进行了移植实验,以验证使用肌电传感器进行自体肢体肌肉移植的颅面重建手术[45-47]的有效性。虽然我们希望获得更好的结果(例如更高的肌电图),但如果咬肌的VML移植到咬肌上,是因为恢复了原始肌肉类型(咬肌的I型)以及驻留的干细胞、静脉和神经,当咬肌的VML与肢体肌肉(TA,大多数肌肉为IIa/b型)移植时,结果具有可比性。然而,移植的肌肉组织或皮肤切口区域的纤维素组织周围的纤维化组织将是精确的肌电图测量的集合。这一结果再次强调,精确的传感器定位和增加样本数量对于更准确的结果是必要的。总的来说,该设备产生了统计上不同的信号,以区分正常、VML损伤和移植的VML损伤咬肌。

  本文综合介绍了一种小啮齿类动物颅面VML模型的研制,该模型使用活检穿孔和使用无创可穿戴式传感器系统验证肌肉功能。为了检测活动小鼠咬肌的功能,我们开发了一种完全便携的无线电子系统,可以连续监测小鼠肌肉的 EMG 活动,这是一种广泛使用的脊椎动物模型肌肉生物学。超薄、轻薄、生物相容的纳米材料与安装在小鼠皮肤上的柔软、轻便的平台相结合,可以在没有行为限制的情况下进行无缝的肌肉功能分析。此外,小型化无线系统证明了其在微尺度领域进行无创和连续手术治疗诊断的潜力。为了用小鼠模型评估该装置,我们证明了咬肌 3 mm活检损伤的颅面VML小鼠表现出完全缺陷的肌肉功能和肌肉再生。我们成功地验证了这种肌电监测系统检测VML损伤肌肉功能缺陷以及移植的VML损伤肌肉功能恢复的能力。

  纳米膜电子系统的制造:软平台与微加工技术的集成,实现了一体化、无线和便携式电子设备。该器件的制造利用了多种纳米制造技术,包括石墨烯膜电极的高分辨率印刷工艺和传统的光刻技术,以及基于薄膜的电路的金属化工艺。注释S1和图S10(支持信息)中介绍了整个制造过程的详细说明。对于电极制造,PI膜和石墨烯膜通过气溶胶喷射3D打印(Aerosol Jet 200,Optomec)在涂有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的载玻片上连续打印成蛇形图案。对于电路结构,在聚二甲基硅氧烷(PDMS)涂层的4层上堆叠PI─Cu─PI─Cu─PI 多层膜。晶圆。从载体基板上取出制造的电路和电极并转移到柔软的有机硅弹性体(Ecoflex 00-30 和凝胶的 1:1 混合物,Smooth-On)。.功能性微芯片焊接在电路上暴露的铜垫上,并用弹性体覆盖。电路中集成了一个可充电的LiPo电池(40毫安时,Adafruit)。电极和电路用一层易弯曲的导电膜连接。使用医用薄膜(Tegaderm,3M)覆盖该设备,这不仅有助于将其固定在小鼠皮肤上,还防止了外部损伤。