凭借3Brain AG的Accura-3D微芯片，一流的细胞-电子接口进入市场

在与CSEM的合作中，3Brain AG宣布了一款令人兴奋的3D微芯片，用于他们的脑片组合。这种一流的细胞-电子接口技术将使科学家能够以无与伦比的规模和精度研究3D细胞网络的复杂性，并获得对宇宙中最复杂结构——人脑的内部工作机制的新颖见解。

了解器官是如何形成的，以及它们的细胞是如何表现的，对于找到发育障碍的原因和治疗，以及了解某些疾病是至关重要的。然而，研究活体动物或人类的大多数器官在技术上是困难的，昂贵的，并具有侵入性。

新的生物技术，如人类来源干细胞，提供了概括人类组织的复杂性和功能，并允许产生新颖和令人兴奋的测试系统，包括多细胞模型，三维培养和器官芯片。但是，这些模型系统日益复杂，给研究人员和公司带来了新的挑战。需要新的方法和设备来满足这些系统中生理相关终点评估的准确性、精密度、敏感性、特异性和可重复性要求。

像心脏、大脑或神经系统这样的电活性组织是由细胞网络建立起来的，这些细胞通过电压门控离子通道的打开和关闭介导的膜电位的快速去极化相互交流。细胞电子接口是记录或激发靠近质膜的细胞外场电位的动态变化，对应于进出细胞的离子通量，并将这些生物信号实时连接到计算机上的设备。3Brain的技术可以同时连接数千个细胞，并在空间分辨率像素阵列中以每秒20.000帧的速度处理生物信号，这与超高速高清摄像机没有什么不同，从而有效地扩展了光学方法之外的无标签功能成像概念。

目前，膜片钳等细胞-电子接口以及最近的高密度多电极阵列仅限于2D，并且在测量大脑类器官或组织准备等3D模型系统时受到许多限制，因为它们无法达到必要的接近度
生理上相关的细胞。

为了应对这些挑战，3Brain AG与瑞士精密制造研究和技术组织CSEM合作，开发了一种基于互补金属氧化物半导体(CMOS)技术的3D细胞-电子接口。这种一流的3D CMOS微芯片(名为Accura-3D)配备了传感金电极，安装在数千个生物聚合物覆盖的微针上。Accura-3D能够以前所未有的深度和分辨率研究3D细胞网络，这将为研究生物系统的复杂性提供无与伦比的途径。生物聚合物覆盖的微针直径只有人类头发的一半，绕过三维模型系统的受损细胞层和表面细胞层，而不破坏整体细胞结构，从而保持完整的生物完整性。此外，定制微流体
基于Accura-3D的通道旨在减轻氧气、营养物质和化合物的不同扩散梯度对生理的影响，这是使用为2D构建的体外设备测量3D模型时的一个常见问题。

随着Accura-3D加入到他们的脑芯片产品组合中，3Brain AG宣布3D芯片设计将与他们现有的技术平台完全兼容和集成。

“我们真正想要的是让研究人员能够提出新的、大胆的生物学问题，这些问题迄今为止是无法研究的，”3Brain AG的首席执行官兼联合创始人毛罗·甘多尔弗(Mauro Gandolfo)说。“我们的细胞电子接口扩展了无光学功能成像的概念，所有这些都不需要生物标记、荧光蛋白或细胞网络的遗传操作。使用Accura-3D，我们创建了一个一流的解决方案，可以直接访问3D组织和大脑类器官的复杂细胞结构。最大的挑战是获取来自细胞的大量数据，并在不丢失实时关键信息的情况下对其进行处理。Accura-3D在芯片处理、信号放大和噪声滤波方面做了很多繁重的工作，这基本上使芯片本身智能化。这种集成智能与临床前领域的其他仪器有显著区别，有助于研究人员在前所未有的深度记录甚至主动刺激生物信号。没有可比的解决方案。”

3Brain AG在先进的微芯片技术应用于生命科学领域已有超过15年的历史。Alessandro Maccione, CSO和3Brain AG的联合创始人说:“我们非常关注先进的细胞模型，如球体和类器官所提供的机会。我们已经有结果表明Accura-3D在测量生理相关细胞和
生物。我们开始关注大脑类器官，因为它们与大脑破坏性发育和神经退行性疾病的模型相关，这些疾病对我们的社会构成了很高的负担，例如阿尔茨海默病和癫痫。从科学上讲，Accura-3D非常令人兴奋，因为它可以让我们更深入地窥视组织和类器官的内部运作，并提出以前无法触及的问题。自发活动为什么、在哪里、如何在脑类器官中出现?协调脑电波是如何开始的?是神经元活动塑造了细胞结构，还是反过来?随着时间的推移，连通性如何发展?健康患者和高危患者的类器官神经元发育是否存在差异?可能性几乎是无限的，Accura-3D打开了通往我们大脑星系的大门，这也是我认为许多科学家想要与我们一起探索的。对于许多人来说，一个可以直接从组织和类器官内部收集细胞信息的三维细胞-电子接口可能听起来像科幻小说。我们
让它成为一个科学事实。”

为了开发Accura-3D, 3Brain与CSEM合作，推动3D微加工的可能边界。CSEM微纳米系统副总裁Michele Palmieri对他们的成就感到欣喜若狂:“我们的团队与3Brain AG一起，一直在开发尖端的微加工工艺，在预处理的先进CMOS晶圆上创建密集的垂直发展的微针阵列。这种高、垂直结合的阵列超越了微电极阵列的最先进水平，其极高的电极垂直/水平纵横比超过8。为了建造它，它需要80多个工艺单元，包括光刻和蚀刻，多金属堆叠沉积，贵金属电镀，结构聚合物材料，平面化等. ...简单地说，这是一个微技术杰作-技术专家和神经生物学家的终极梦想。”