LED｜日本开发新型可挠性MicroLED阵列薄膜，助力光遗传研究

CINNOResearch产业资讯，由日本科学技术振兴机构(JST)战略性创造研究推进事业部支持，日本独协医科大学和丰桥技术科学大学、冲绳科学技术大学院大学共同研发出一款柔性多点Micro LED阵列医学用薄膜，可灵活粘附于大脑特定区域进行光照射，有望全面解析大脑信息中隐藏的神经活动与行为、疾病之间的因果关系，在光遗传学领域拥有广阔的应用前景。

据JST官网介绍，日本科研团队近年来通过深入研究，利用光遗传学方法，通过从生物体外部照射光，从而成功实现了对神经细胞活动的控制。为此，光照射用元件成为关键。通过该嵌入式元件，可针对目标神经细胞，实现自由用光操控活动。但，没有用来取代覆盖整个大脑皮层的嵌入式光学元件。

为此，为实现轻、薄和具有柔韧性的嵌入式元件，在厚度为几µm的LED层，实现在极薄的生物相容性薄膜上高精度配置的技术确立成为必要条件。该研究团队成功研发出高密度、高精细的Micro LED中空结构形成技术，以及通过热剥离薄片的应用，确立了高精度的统一转印技术，形成既薄又轻，即使弯曲也不降低光照性能的多点Micro LED阵列超薄薄膜。

目前，科研团队正在尝试研究用光来控制生物体内各种功能分子的活性。其中，光遗传学方法通过在神经细胞中表达对特定颜色的光产生反应的光感蛋白，利用光来控制神经活动，这种方法具有很高的时间分辨率，已被用来理解脑功能。为了全面理解神经细胞形成的复杂的大脑神经网络，研究人员一直在研究能够自由控制大脑广泛分布的特定神经细胞部位的光刺激技术。但是，使用传统的光纤和显微镜方法，很难同时对特定部位或多个部位进行光照，对自由行动中的动物研究也受到限制。因此，期待可嵌入式LED元件被寄予厚望。

但，市贩的LED尺寸通常为200µm，厚度也在数十µm～100µm，偏大尺寸并不适合用来覆盖整个大脑，更不适合做为能光刺激某特定神经细胞的元件设备使用。

柔性Micro LED薄膜制作技术（图片来源：JST官网）

Micro LED中空结构形成技术（上）Micro LED一次性转移技术（下）

 

该研究团队以薄、轻、且可弯曲的柔性薄膜为目标，在此基础上尝试尺寸小于100µm、厚度为几µm的极细小MicroLED阵列。为此，采用各向异性湿法蚀刻法制备这款Micro LED薄膜，该方法通过氢氧化钾有选择性地移除底部的LED层，从而形成一个排列非常紧密的Micro LED中空结构。由于中空结构将LED层和衬底分开，LED层可以通过热释放薄片（转移技术）一次性剥离，并且不会损伤Micro LED或生物相容性聚对二甲苯薄膜。

Micro LED阵列照片（图片来源：JST官网）

Micro LED阵列中空结构（左）Micro LED阵列薄膜照片（右）

 

该柔性Micro LED薄膜整体尺寸小于100μm，厚度为几μm，即便在弯曲情况下，Micro LED也不会使光照特性恶化，依然能保持同样的性能表现。此外，研究人员将柔性MicroLED薄膜覆盖于老鼠大脑表层时，还获得了明亮的蓝光并用于实际的光遗学传实验。

紧贴老鼠脑皮层的Micro LED阵列超薄薄膜

点亮3个瞄准点位LED灯的光照射情况

 

此次日本研发团队开发的可广泛用于大脑的多点MicroLED薄膜，通过光实现了在时空上对复杂大脑活动的自由支配控制。大脑的各个区域具有不同的功能，复杂地控制着全身活动。今后，期待通过与测量技术相结合，以全面理解以因果关系为基础的脑活动、行为和疾病为目标，开拓新的神经科学研究。此外，通过对光感受性的生物功能分子的进一步研究，依据光照射，有望实现锁定部位可在设定时间发挥作用，同时也期待用嵌入元件进行的光治疗技术能被广泛应用。

该研究结果已于2022年3月18日发表在《AppliedPhysics Press》（应用物理快报）期刊上。