文章名稱(chēng)：Neuromorphic electro-stimulation based on atomically thin semiconductor for damage-free inflammation inhibition

期刊：Nature Communications IF 17

文章DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-024-45590-8

【引言】

炎癥通常是由免疫細(xì)胞的炎癥細(xì)胞因子積累所引起的，普遍存在于各種疾病中。電流刺激可以在一定程度上抑制炎癥的發(fā)生，被認(rèn)為是一種潛在的炎癥治療方法。雖然電刺激的治療不需要對(duì)患者進(jìn)行手術(shù)，但相關(guān)療法面臨著刺激路徑/電流峰值不精確、刺激機(jī)制不明確等問(wèn)題，無(wú)法以最佳刺激路徑，或適合的刺激電流對(duì)相關(guān)區(qū)域進(jìn)行電刺激，這也使得電刺激療法通常伴隨著周?chē)M織的損傷和其他并發(fā)癥。

近日，復(fù)旦大學(xué)相關(guān)課題組提出了一種基于神經(jīng)形態(tài)的柔性浮柵晶體管的電刺激技術(shù)。該技術(shù)利用小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫(xiě)光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3制備了柔性器件并將其包裹在交感神經(jīng)鏈上實(shí)現(xiàn)直接刺激，通過(guò)可控制的仿生電信號(hào)對(duì)相關(guān)部位進(jìn)行電刺激，從而最大限度地降低了對(duì)神經(jīng)的損傷。通過(guò)測(cè)試炎癥細(xì)胞因子（IL6）,發(fā)現(xiàn)該方法與傳統(tǒng)方法相比IL6下降了73.5%。相關(guān)研究?jī)?nèi)容以《Neuromorphic electro-stimulation based on atomically thin semiconductor for damage-free inflammation inhibition》為題，發(fā)表于國(guó)際SCI期刊《Nature Communications》上。

本文中所有的柔性器件均使用小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫(xiě)光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3制備而得。該系統(tǒng)無(wú)需掩膜板，可以在非傳統(tǒng)基底上迅速實(shí)現(xiàn)高精度的光刻任務(wù)，能夠滿(mǎn)足科研中對(duì)光刻和套刻的不同需求。設(shè)備采用集成化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)小巧緊湊（70 cm X 70 cm X 70 cm），適合任何實(shí)驗(yàn)室桌面。同時(shí)，其基于創(chuàng)新性的全自動(dòng)控制，具有可靠性高、操作簡(jiǎn)便、直寫(xiě)速度快，分辨率高（XY：<1 μm）等特點(diǎn)。憑借這些優(yōu)勢(shì)，MicroWriter ML3滿(mǎn)足了本研究對(duì)多樣化光刻的所有需求。

小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫(xiě)光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3

【圖文導(dǎo)讀】

圖1.神經(jīng)形態(tài)的電刺激用于抑制肌腱炎癥概念圖。其中一個(gè)柔性電極環(huán)繞在支配肌腱段的交感神經(jīng)鏈上，以提供直接刺激，并使用二維梯度功能材料電荷耦合器神經(jīng)形態(tài)刺激器來(lái)發(fā)射仿生脈沖。這種交感神經(jīng)直接刺激和仿生脈沖的結(jié)合促進(jìn)了去甲腎上腺素的釋放，該物質(zhì)抑制與肌腱損傷相關(guān)的炎癥細(xì)胞因子，同時(shí)對(duì)神經(jīng)造成的損害最小。

圖2.基于神經(jīng)形態(tài)的柔性MoS₂浮柵晶體管電路。（a）柔性電路的光學(xué)照片和示意圖和（b）MoS₂浮柵晶體管的示意圖。（c）晶體管的橫截面的TEM及EDS的表征結(jié)果。（d）MoS₂浮柵晶體管的SEM表征結(jié)果。（e）MoS₂的拉曼和AFM表征結(jié)果。（f）不同材料的生物相容性測(cè)試。

圖3.柔性浮柵晶體管集成電路的制備流程。(a）清理后的PI基底，PI薄膜厚度為30微米。(b)使用MicroWriter ML3在柔性基底上制備電極。(c)通過(guò)ALD沉積絕緣層。(d)轉(zhuǎn)移MoS₂二維材料。(e)通過(guò)再次激光直寫(xiě)和刻蝕制備圖案化MoS₂結(jié)構(gòu)。(f)第三次光刻并沉積金屬，形成電極。

圖4.所制備的柔性浮柵晶體管集成電路的SEM和光學(xué)照片。（a) 使用MicroWriter ML3制備的柔性浮柵晶體管集成電路的光學(xué)照片。（b)MoS₂二維材料在電路中的SEM成像結(jié)果。

圖5.所制備的柔性器件在抑制肌腱炎癥發(fā)生，同時(shí)對(duì)周?chē)窠?jīng)的損傷達(dá)到最小。（a）在小鼠的腹主動(dòng)脈（紅色）富有交感神經(jīng)鏈神經(jīng)節(jié)的部分（黃色）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。（b）手術(shù)后組織中IL-6隨時(shí)間的變化。（c）通過(guò)免疫吸附法測(cè)試不同處理手段下組織周?chē)腎L-6.(d）交感神經(jīng)鏈神經(jīng)節(jié)部分的染色和（e）TEM結(jié)果。（f）DAPI/IL6和CD68在不同刺激下的反應(yīng)結(jié)果。（g）NE的免疫吸附測(cè)量結(jié)果。

【結(jié)論】

綜上所述，研究人員基于MoS₂二維材料制備出了柔性的可用于炎癥產(chǎn)生的電子器件，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了在抑制炎癥發(fā)生的同時(shí)對(duì)周?chē)窠?jīng)的損傷最小，為制備相關(guān)的柔性電子醫(yī)療設(shè)備提供了新的研究思路和方法。從文中研究人員對(duì)小型臺(tái)式無(wú)掩膜直寫(xiě)光刻系統(tǒng)- MicroWriter ML3的使用上來(lái)看，該設(shè)備可以在非傳統(tǒng)基底上迅速實(shí)現(xiàn)高精度的光刻任務(wù)，能夠滿(mǎn)足科研中多樣化的光刻和套刻需求。