ACS Nano | 南方科技大学：适用于类器官复杂表面的石墨烯-液态金属三维柔性电极

背景介绍

类器官是在发育通路引导下，由多能干细胞自组织形成的三维组织，能够模拟人体器官发生的关键特征，再现包括大脑在内的真实器官的细胞多样性、空间结构及功能，为研究生物发育与疾病机制提供了强大平台。然而，在神经类器官研究中，电生理记录与刺激仍面临严峻挑战：类器官表面形态高度不规则且存在批次差异，而传统二维电极阵列难以与其表面有效贴合，无法在保持其形态完整和培养基交互的同时，实现可靠的全方位信号采集。现有三维电极策略，或会干扰类器官三维自组装，或仅适用于短期表面记录，或因穿刺结构造成损伤。因此，开发一种兼具制造简便、适配三维结构且能稳定记录神经类器官电生理活动的新型接口技术至关重要。

文章亮点

近日，南方科技大学微流控-生物材料实验室团队结合其前期工作基础，在ACS Nano上发表了一种集成了石墨烯微针和液态金属柔性电路的三维电极阵列（microneedle elastic substrate hybrid-graphene recordable interfacial patch，MESH-GRIP），用于检测神经类器官及其组装体的复杂不规则表面的电生理信号。如图1所示，MESH-GRIP的结构通过微流控图案化技术，将液态金属与石墨烯分别嵌入预设计的TPU（thermoplastic polyurethane）弹性基底与微针中，实现了双材料集成：基于液态金属的网状导线可在变形中保持导电，而TPU/石墨烯复合微针则兼具弹性与导电性。此设计赋予器件双重弹性能力：弹性微针能无损贴合神经组织不规则表面，而网状基底在为类器官提供机械支撑的同时，不阻碍培养基与类器官交互。

图1. MESH-GRIP结构示意图

为进一步构建了一个适用于类器官培养与电生理记录的稳定微环境，确保无菌操作，该团队将MESH-GRIP器件通过PDMS培养池与培养皿实现无缝集成，信号采集组件（与Plexon系统相连）被设计为外置形式。如图2所示，MESH-GRIP器件被预制成凹面结构，能够引导神经类器官在重力作用下自发落入预设腔体中。为评估其生物相容性，通过活/死细胞染色对比了MESH-GRIP上培养的神经类器官与常规超低吸附培养板中的类器官，结果显示两组类器官均表现出均匀且较低的细胞死亡水平，无显著差异，表明该器件具有良好的生物安全性。在结构稳定性方面，基于TPU实现的液态金属导线与石墨烯微针之间的连接，使微针在拉伸条件下仍能牢固附着。该结构在承受高达200%的拉伸应变时仍能保持完整，未发生断裂或脱落。此外，该团队还评估了电极的电学性能，结果显示在1 kHz下的平均阻抗幅值为139.83 kΩ，不同通道表现出良好的一致性，满足稳定神经信号记录的要求。

MESH-GRIP平台成功实现了对三维神经类器官自发与化学刺激诱发神经电生理信号的多位点采集。如图3所示，系统记录到的自发神经活动信号幅度集中在100–150 μV范围内，各通道信噪比稳定在10–20 dB之间。为验证平台对神经兴奋性变化的响应能力，研究使用谷氨酸对类器官进行化学刺激，刺激后MESH-GRIP电极记录到神经元放电活动增强，表明该平台能够有效捕捉外界刺激引发的神经兴奋性变化。通过整合电极空间坐标与信号通道信息，该团队重建了类器官表面神经活动的空间分布。这种动态过程的空间可视化揭示了类器官中存在的电生理“热点”区域，为理解神经网络功能构架提供了直观依据。为评估性能，该团队将MESH-GRIP与商用平面电极（2D MEA）进行了比较。通过可视化电极通道与类器官位置的空间对应关系，并统计了被类器官覆盖区域内激活通道（即成功采集到信号的通道）的比例，结果显示，MESH-GRIP的激活通道比例超过60%，显著高于商用平面电极约40%的表现。

总结/展望

该研究展示了一种适用于三维神经类器官信号采集的柔性多电极阵列MESH-GRIP，其关键优势在于：平面电极在无辅助固定装置的情况下，通常需要将类器官预培养在电极表面1–2周，依赖细胞迁移与黏附才能实现信号采集，这一过程可能改变类器官的三维神经网络结构，而采用固定装置又可能对类器官造成挤压或机械损伤。MESH-GRIP则无需依赖外部固定装置，在保持类器官原生三维结构的前提下实现了稳定记录； MESH-GRIP凭借其优良的导电性能与结构所带来的与生物组织接触的优势，促使更多通道被成功激活，从而在信号采集性能上展现出显著优势。

同时，该团队指出了当前研究与该领域面临的关键问题。首先，器件需固定类器官的特性会限制其在静态培养基中的良好生长，导致目前很多信号采集平台尚无法实现长期电生理监测。其次，电极在与不规则表面建立接触时，其接触位点易受扰动而改变，可能影响实验间信号一致性。此外，维持类器官-培养基相互作用所必需的网格结构，显著限制了布线空间，导致电极通道数量和记录密度低于传统平面多电极阵列。这些局限凸显了在类器官电生理研究中平衡生物组织生长、信号记录能力和稳定性的核心挑战。根本解决方案在于将柔性电子技术与血管化灌注系统相结合，在维持类器官活性的同时实现持续监测，推动类器官模型从静态观测向动态交互研究发展。

相关论文发表在期刊ACS Nano上，南方科技大学博士后吴艳、本科生梅壬杰为文章共同第一作者。

实验室介绍：微流控-生物材料实验室

致力于开发基于液态金属的柔性材料，具有优良的导电性、柔性、弹性、可拉伸性、生物相容性、共形性，可在体内、体表、衣物等临床或日常生活应用；基于金纳米颗粒和高分子材料，构建纳米载体用于递送荧光探针、核酸分子和蛋白分子，以达到体内诊断和治疗肿瘤及心血管疾病的目的，同时发展可杀灭多药耐药菌的新型抗菌策略；基于微流控芯片研究，构建便携式和大型自动化检测平台，用于核酸和生物标志物的检测。目前实验室在国际重要学术期刊发表SCI论文390余篇，总引用超过33,000余次，H因子92。申请发明专利240余项，授权发明专利90项，转化14项并获得CFDA批件4项。

实验室链接：

https://faculty.sustech.edu.cn/jiang/

http://xingyujiang.com

文章信息

英文原题：Elastic Thermoplastic Polyurethane/Graphene Microneedle-Mesh Interfaces via Microfluidic Patterning for Electrophysiology in Neural Organoids

通讯作者：Xingyu Jiang，南方科技大学生物医学工程系

作者：Yan Wu, Renjie Mei, Yujie Zhou, Jie Qi, Chen Hang, Xingyu Jiang

ACS Nano. 2025, 19, 42, 36958–36968

Publication Date: October 17, 2025

https://doi.org/10.1021/acsnano.5c08827