1. तकनीकी पृष्ठभूमि और महत्व

अत्यधिक फैलने योग्य माइक्रोनीडल इलेक्ट्रोड सरणियाँ जैविक ऊतकों की सतही परतों में प्रवेश कर सकती हैं, ऊतक आंदोलन के कारण होने वाली विकृति के अनुकूल हो सकती हैं, और न्यूनतम आक्रामक दृष्टिकोण के माध्यम से जीवित जीवों में लक्षित संवेदन और विद्युत उत्तेजना प्राप्त कर सकती हैं। वे एक स्थिर बायोइलेक्ट्रॉनिक इंटरफ़ेस प्रदान करते हैं, सिग्नल रिकॉर्डिंग की गुणवत्ता में सुधार करते हैं, और ऊतक क्षति को कम करते हैं, इस प्रकार तंत्रिका विज्ञान, ऊतक इंजीनियरिंग और पहनने योग्य बायोइलेक्ट्रॉनिक्स में व्यापक अनुप्रयोग पाते हैं।

वर्तमान माइक्रोनीडल तकनीक में महत्वपूर्ण सीमाएँ हैं: अधिकांश माइक्रोनीडल्स में खिंचाव क्षमता की कमी है, और व्यक्तिगत डिवाइस स्तर पर माइक्रोनीडल इलेक्ट्रोड की लंबाई वितरण और पता लगाने के क्षेत्र जैसे मापदंडों को अनुकूलित करना मुश्किल है। मुख्य कारण कठोर माइक्रोनीडल इलेक्ट्रोड और फैलने योग्य लचीली सामग्री की निर्माण प्रक्रियाओं के बीच असंगतता के साथ-साथ माइक्रोनीडल्स की तीन आयामी (3डी) संरचना के सामग्री एकीकरण और पैटर्निंग में तकनीकी चुनौतियां हैं।

2. अनुसंधान दल और उपलब्धि प्रकाशन

दक्षिणी कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय (यूएससी) में एयरोस्पेस और मैकेनिकल इंजीनियरिंग विभाग और बायोमेडिकल इंजीनियरिंग विभाग से हैंगबो झाओ के नेतृत्व में अनुसंधान समूह (पहले लेखक के रूप में विभाग में एक डॉक्टरेट छात्र क़िना झाओ के साथ), अर्बाना में इलिनोइस विश्वविद्यालय से रेनोर जिलेट और मटिया गज़ोला के अनुसंधान समूहों के सहयोग से (यूआईयूसी), शैंपेन (यूआईयूसी) ने एक कवर लेख प्रकाशित किया।विज्ञान उन्नति. लेख एक नए प्रकार के स्ट्रेचेबल माइक्रोनीडल इलेक्ट्रोड सरणी के डिजाइन, निर्माण और इलेक्ट्रोफिजियोलॉजिकल सेंसिंग अनुप्रयोगों की रिपोर्ट करता है, जो एक कुशल बायोइलेक्ट्रॉनिक इंटरफ़ेस के रूप में काम कर सकता है। उदाहरण के लिए, इसका उपयोग एप्लिसिया (समुद्री खरगोश) के मुख क्षेत्र में विभिन्न मांसपेशी समूहों से इंट्रामस्क्युलर इलेक्ट्रोमोग्राफिक (ईएमजी) संकेतों का पता लगाने के लिए किया गया है।

झाओ के समूह का अनुसंधान फोकस नरम शरीर वाले जानवरों की मांसपेशी आंदोलन तंत्र में उनकी रुचि से उत्पन्न होता है, जैसे कि ऑक्टोपस टेंटेकल्स का खिंचाव और झुकना, और समुद्री स्लग का रेंगना और भोजन करना। 3डी अंतरिक्ष में वितरित बहु{2}}मांसपेशियों के समूहों की समन्वित क्रिया के तंत्र का अध्ययन जीव विज्ञान, बायोनिक्स और रोबोटिक्स के क्षेत्र में बहुत महत्वपूर्ण है।

3. मुख्य तकनीकी नवाचार

हाइब्रिड विनिर्माण योजना: लेजर नक़्क़ाशी, माइक्रोफैब्रिकेशन और ट्रांसफर प्रिंटिंग के संयोजन वाली एक अनूठी विनिर्माण विधि को सफलतापूर्वक एक अत्यधिक स्ट्रेचेबल (60% - 90% की स्ट्रेच रेट के साथ) और व्यक्तिगत रूप से पता करने योग्य माइक्रोनीडल इलेक्ट्रोड सरणी बनाने के लिए अपनाया जाता है। कम लागत और स्केलेबल प्रक्रियाओं के माध्यम से, माइक्रोनीडल इलेक्ट्रोड की आकृति विज्ञान, लंबाई, पता लगाने का क्षेत्र, प्रतिबाधा और लेआउट को लचीले ढंग से अनुकूलित किया जा सकता है।

इलेक्ट्रोड डिटेक्शन क्षेत्र का विनियमन: एक नई 3डी हाइड्रोजेल नक़्क़ाशी विधि का आविष्कार किया गया है, जो कुछ सेकंड के भीतर माइक्रोसुइयों की चयनात्मक नक़्क़ाशी को सक्षम बनाता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि इलेक्ट्रोड का केवल टिप क्षेत्र प्रवाहकीय बना रहता है। हाइड्रोजेल रासायनिक नक़्क़ाशी तकनीक के साथ, टिप इलेक्ट्रोड का पता लगाने वाले क्षेत्र को अलग-अलग लंबाई की माइक्रोसुइयों के लिए सटीक रूप से विनियमित किया जा सकता है, जिससे विभिन्न गहराई पर ऊतक संकेतों का पता लगाया जा सकता है।

संरचनात्मक और सामग्री डिजाइन: माइक्रोनीडल इलेक्ट्रोड सरणी में पॉलीमाइड माइक्रोनीडल इलेक्ट्रोड और सर्पेन्टाइन इलास्टिक कनेक्टिंग तार होते हैं। सोने की प्रवाहकीय परत से लेपित होने के बाद, इसे सहसंयोजक रूप से एक सिलिकॉन इलास्टोमेर से जोड़ा जाता है, जो न केवल उच्च खिंचाव सुनिश्चित करता है बल्कि उपयोग के दौरान छीलने की समस्या से भी बचाता है।

स्ट्रेचेबल माइक्रोनीडल इलेक्ट्रोड सरणियों के निर्माण चरणों का योजनाबद्ध आरेख।

स्ट्रेचेबल माइक्रोनीडल इलेक्ट्रोड सरणियों का स्ट्रेचेबिलिटी परीक्षण

4. प्रायोगिक सत्यापन एवं प्रभाव

प्रायोगिक परिदृश्य: पृथक एप्लिसिया के मुख क्षेत्र से इंट्रामस्क्युलर ईएमजी संकेतों का पता लगाने के प्रयोग में, विभिन्न लंबाई के माइक्रोनीडल इलेक्ट्रोड को विभिन्न मांसपेशी समूहों में डाला गया था। इलेक्ट्रोड मुख की मांसपेशियों की विकृति का अनुसरण कर सकते हैं और प्रत्येक मांसपेशी समूह से ईएमजी संकेतों को स्थिर रूप से रिकॉर्ड कर सकते हैं।

प्रदर्शन तुलना: प्लेनर माइक्रोनीडल इलेक्ट्रोड सरणियों द्वारा रिकॉर्ड किए गए सतह ईएमजी संकेतों की तुलना में, इस स्ट्रेचेबल माइक्रोनीडल इलेक्ट्रोड द्वारा रिकॉर्ड किए गए इंट्रामस्क्युलर ईएमजी सिग्नल अधिक मजबूत और अधिक विशिष्ट हैं। इससे साबित होता है कि यह जीवित जीवों में गहरे सक्रिय ऊतकों से संकेतों का प्रभावी ढंग से पता लगा सकता है और इसे गहरे ऊतकों की विद्युत उत्तेजना के लिए एक उपकरण के रूप में भी इस्तेमाल किया जा सकता है, जो जैविक और तंत्रिका विज्ञान अनुसंधान के लिए सहायता प्रदान करता है।

मुख्य क्षमताओं का सत्यापन: प्रयोग पूरी तरह से दर्शाता है कि इस माइक्रोनीडल इलेक्ट्रोड में 3डी बायोइलेक्ट्रॉनिक इंटरफ़ेस के रूप में काम करने की क्षमता है, जो माइक्रोनीडल्स की संरचनात्मक कठोरता और सामग्री लचीलेपन को संतुलित करता है। अपेक्षाकृत उच्च कठोरता इसे जैविक ऊतकों में स्थिर रूप से डालने की अनुमति देती है, जबकि उच्च खिंचाव क्षमता नरम और गतिशील जैविक ऊतकों के साथ कड़ा आसंजन सुनिश्चित करती है।

एप्लीसिया बुक्कल मांसपेशियों में इंट्रामस्क्युलर और सतह इलेक्ट्रोमोग्राफिक संकेतों के इन विट्रो माप को स्ट्रेचेबल माइक्रोनीडल इलेक्ट्रोड एरे और फ्लैट माइक्रोइलेक्ट्रोड एरे का उपयोग करके किया गया था।

ये प्रयोगात्मक उदाहरण इन माइक्रोनीडल इलेक्ट्रोड की 3डी बायो-इलेक्ट्रॉनिक इंटरफ़ेस के रूप में काम करने की क्षमता प्रदर्शित करते हैं।

5. उपलब्धि की अनुप्रयोग संभावनाएँ

एक उन्नत बायोइलेक्ट्रॉनिक इंटरफ़ेस के रूप में, इस स्ट्रेचेबल माइक्रोनीडल इलेक्ट्रोड सरणी में कई क्षेत्रों में संभावित अनुप्रयोग मूल्य हैं:

मस्तिष्क के क्षेत्र में इलेक्ट्रोफिजियोलॉजिकल सेंसिंग-कंप्यूटर इंटरफेस;

त्वचा के अंतरालीय द्रव का विद्युत रासायनिक संवेदन;

तंत्रिका और मांसपेशियों के ऊतकों की विद्युत उत्तेजना।

6. कागज तक पहुंच

प्रासंगिक शोध पत्र का लिंक: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn7202