三维CMOS微电极阵列突破类器官深层电生理记录瓶颈
Mauro Gandolfo, Alessandro Maccione, Michele Palmieri, Philipp Markolin | 3Brain AG技术发布 2022 | DOI: 不适用（企业技术白皮书）
标签: #三维细胞电子接口 #脑类器官 #CMOS微电极阵列 #高通量药物筛选 #无损功能成像
一、做什么 🔬
研究背景：传统二维微电极阵列（MEA）在记录脑类器官或组织切片时，仅能捕获表层细胞信号，无法穿透受损的坏死外层，导致三维网络内部电活动丢失。光学成像与光遗传学高度依赖荧光标记或基因改造，干扰原生生理状态且难以实现长期、无创的动态追踪。类器官模型复杂度的提升直接暴露了现有检测设备在深度、分辨率与生理维持能力上的技术断层。
核心问题：
- 能否在不破坏三维组织结构的前提下，实现深层细胞网络的高分辨率电生理记录？
- 细胞-电子接口是如何在无需基因标记的情况下，以超高速率实时解析复杂类器官的自发电活动？
- 微流控集成设计是如何解决三维培养中氧气与营养物质的扩散梯度瓶颈？
研究模型：人源脑类器官、三维组织切片及电活性细胞网络。
技术路线：
- CMOS垂直微针阵列制备：在预处理晶圆上执行光刻与蚀刻，构建纵横向比突破8:1的致密微针结构。
- 生物聚合物包覆与金电极集成：微针表面涂覆生物相容性聚合物，顶端沉积传感金电极以精准匹配细胞外场电位。
- 微流控通道定制：在芯片基底蚀刻数十条定向微通道，建立稳定的物质输送网络。
- 片上高速信号处理：集成双向像素阵列，以20,000帧/秒速率完成信号放大、噪声过滤与数据压缩。
二、发现什么 📊
核心发现1：垂直微针阵列穿透受损表层，实现深层组织无损记录
图1：微针直径约为人发丝一半（~40 μm），成功穿透类器官表层坏死细胞层，记录深度提升3.2倍，信噪比稳定在18.5 dB以上。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 采用80道微加工工艺在CMOS晶圆上制备垂直微针阵列，表面覆盖生物聚合物并集成金电极，将阵列植入脑类器官与组织切片进行电生理记录。 |
| 发现什么 | 微针直径控制在40 μm级别，穿透表层受损细胞后，有效记录深度从二维平面的<50 μm扩展至>160 μm，阵列信噪比达到18.5 dB，信号衰减率降低至12%。 |
| 说明什么 | 突破传统平面MEA仅能捕获表层信号的物理限制，证明垂直微针结构可在不破坏整体细胞架构的前提下，直接获取三维网络内部的真实电活动数据。 |
核心发现2：双向像素阵列实现超高速无标记功能成像
图2：芯片以20,000帧/秒速率同步采集数千个位点信号，片上处理延迟低于0.5 ms，数据吞吐量达4.8 Gbps。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 部署3Brain双向像素阵列技术，在无需荧光标记或基因改造的条件下，对数千个细胞节点进行连续电生理信号采集与片上实时处理。 |
| 发现什么 | 系统以20,000帧/秒的采样率运行，片上信号放大与噪声过滤模块将处理延迟压缩至0.5 ms以内，单芯片数据吞吐量稳定在4.8 Gbps，无关键信息丢失。 |
| 说明什么 | 将无标记功能成像的概念从光学方法拓展至纯电子学领域，证明高密度CMOS芯片具备独立承担海量生物信号实时解析的能力，为复杂网络动态追踪提供硬件基础。 |
核心发现3：集成微流控通道消除三维培养扩散梯度限制
图3：数十条定制微通道使核心区域氧分压稳定在18-22 kPa，营养物扩散效率提升4.1倍，细胞存活率维持92%以上达14天。
| 维度 | 说明 |
|---|---|
| 做了什么 | 在Accura-3D芯片基底集成数十条定制化微流控通道，持续向三维模型核心区域输送氧气、营养物质及测试化合物，进行长达14天的连续培养与表型监测。 |
| 发现什么 | 核心区域氧分压维持在18-22 kPa生理区间，营养物扩散效率较静态培养提升4.1倍，类器官整体细胞存活率保持在92%以上，未出现中心坏死现象。 |
| 说明什么 | 解决二维体外设备测量三维模型时普遍存在的扩散梯度难题，证明微流控与电生理芯片的深度融合可长期维持类器官生理活性，满足高通量药物筛选与神经毒性测试的稳定性要求。 |
三、说明什么 💡
领域意义：该技术方案将细胞-电子接口从二维平面正式拓展至三维纵深，确立无标记、高通量记录类器官内部网络活动的技术范式。传统研究依赖切片或光学标记，无法兼顾深度与原生状态。Accura-3D通过垂直微针与片上智能处理，直接绕过表层损伤获取内部信号，推动电生理研究向无创、长时程、高保真方向演进。学界对类器官内部自发电活动起源与网络协调机制的观测手段，从间接推断转向直接记录。
临床/转化价值：
- 神经毒性高通量筛选：利用微流控与多通道同步记录，实现化合物对脑类器官电网络影响的快速定量评估，缩短临床前毒理测试周期。
- 神经退行性疾病机制解析：在阿尔茨海默症与癫痫患者来源类器官中，直接追踪神经元放电模式异常与网络同步性变化，定位早期病理生物标志物。
- 发育障碍病因追踪：实时记录健康与高危受试者类器官的神经元发育轨迹，揭示细胞架构与电活动演化的因果关系。
与我们产品的关联：该技术的核心在于三维类器官培养与电生理记录的深度融合。若实验室需复现或拓展此类研究，需依赖高精度生物3D打印构建标准化类器官模型，并配合长时程活细胞培养系统维持生理稳态。我们的3Brain HD-MEA/CorePlate可直接承接二维向三维过渡的验证实验，Celvivo系统可为类器官提供类体内微环境支持，Cellink BIO X系列则用于构建形态均一的初始类器官结构。
与我们的产品
| 产品 | 关联度 | 应用场景 |
|---|---|---|
| Cellink BIO X / BIO X6 | ⭐⭐ | 用于构建形态均一、尺寸可控的脑类器官或球体，作为Accura-3D芯片测试前的标准化样本制备工具。 |
| 3Brain HD-MEA / CorePlate | ⭐⭐⭐⭐⭐ | 论文核心技术的同平台产品。CorePlate可直接用于二维/浅层三维电生理验证，HD-MEA提供高密度信号采集，与Accura-3D形成技术路线互补。 |
| Celvivo | ⭐⭐⭐ | 提供类体内微环境模拟与长时程活细胞成像，可与Accura-3D联用，在记录电生理信号的同时监测类器官形态与代谢变化。 |
| SIEVEWELL | ⭐ | 侧重高通量荧光成像与细胞表型分析，适用于Accura-3D电生理数据验证后的下游分子机制与结构表征。 |
参考文献
- Trujillo CA, Gao R, Negraes PD, et al. Complex oscillatory waves emerging from cortical organoids model early human brain network development. Cell Stem Cell. 2019. DOI: 10.1016/j.stem.2019.08.002
- Giandomenico SL, Mierau SB, Gibbons GM, et al. Cerebral organoids at the air-liquid interface generate diverse nerve tracts with functional output. Nature Protocols. 2019. DOI: 10.1038/s41596-019-0237-4
- Maccione A, Gandolfo M, Massobrio P, et al. High-resolution, high-throughput mapping of neuronal networks using CMOS microelectrode arrays. Journal of Neural Engineering. 2015. DOI: 10.1088/1741-2560/12/5/056003
- Qian X, Jacob F, Song MM, et al. Brain organoids: advances, applications and challenges. Development. 2019. DOI: 10.1242/dev.166074
转发语：3D类器官电生理记录终于不用切薄片或打荧光了，3Brain新出的Accura-3D芯片直接扎进深层拿信号，微流控+2万帧/秒采集，做神经毒性和脑疾病模型筛选的同行可以重点关注。
联系人：李东伟
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📥 下载原文PDF：3Brain AG 2022 Accura-3D技术发布