山东大学校友一作，最新Nature Materials：无需缝合线、胶水，实现高质量神经监测！！

开发出神经袖套电极，无需缝合线、胶水，实现高质量神经监测！与非侵入性策略相比，植入式神经接口提供了直接接触目标神经纤维的途径，允许对神经活动进行精确和选择性的调节和记录。然而，目前的神经袖套电极通常利用柔性的二维平面结构或基于厚硅橡胶的三维分裂圆柱电极，需要复杂的手术程序才能确保正确固定在神经周围。此外，现有的管状植入物缺乏适应不同直径的神经并且长度通常较短，而且一旦固定，就无法重新定位。最后，现有的神经监测电极无法提供持续的神经生理记录以保护神经结构和功能。

软材料和加工技术的最新进展加速了软机器人的发展，可以安全地与不同的组织接口，被广泛应用于可穿戴设备、医疗保健、外科工具和人机界面。然而，目前的软机器人神经袖套缺乏能够在体内环境中反转和重新编程其配置的能力，仅适用于单次使用，并且在可实现的几何形状和功能上存在限制。因此，至今尚未开发出可以连续和可逆地控制复杂三维形状的神经袖套。

导电聚合物与被动材料结合构成双层结构，通过电信号诱发弯曲运动。这种技术在实现多项任务上已有成功案例，包括抓取小物体、作为密封微瓶盖或控制导管。然而，它们在先进的生物电子植入物中的整合尚未被探索，并且在复杂的体内环境中的实际应用尚未得到验证。

2024年4月26日，剑桥大学工程系的George G. Malliaras等人在 Nature Materials期刊上发表了一篇名为：Electrochemically actuated microelectrodes for minimally invasive peripheral nerve interfaces的论文。该论文第一作者是剑桥大学的董超群。

该研究利用了软机器人致动器和柔性电子学的最新进展，成功地开发了一种高度适应性的神经袖套。这些神经袖套结合了电化学驱动的导电聚合物软致动器和低阻抗微电极，使其能够与外周神经接口，并通过应用几百毫伏的电压实现对细小神经的主动抓握或包裹，而无需进行复杂的手术。在活体大鼠模型中的验证显示，这种神经袖套能够与大鼠坐骨神经形成并保持自动封闭和可靠的生物电子接口，无需使用手术缝合或胶水。这项研究为实现术中神经活动的微创监测和高质量的生物电子接口提供了重要的技术基础。

活性组件的设计和制造过程

作者选择了PPy(DBS)作为致动材料，因为它在电化学刺激下体积变化明显。他们将PPy(DBS)沉积在PaC薄膜上形成双层结构，并通过施加电压控制其弯曲行为。作者使用循环伏安法扫描对薄膜进行预处理，使PPy(DBS)完全激活。扫描电子显微镜成像显示，在预处理后，薄膜表面出现了纳米粒子。能量色散X射线光谱表明，在预处理后，聚合物中出现了钠。作者还分析了薄膜的电化学阻抗，并在磷酸盐缓冲盐水中研究了其电化学性质，并展示了薄膜卷曲成螺旋的过程。

图1：电化学致动器的工作原理、制造和表征。

对PPy(DBS)/Au/PaC致动器的性能评估

作者使用了运动学模型来评估其弯曲运动，并在常曲率近似的基础上进行了分析。通过应用方波电压并使用摄像机记录器件的运动，作者发现设备对刺激具有即时响应，并且展现出优秀的可逆性和重复性。在磷酸盐缓冲盐水和NaDBS溶液中，这些器件均表现出卓越的弯曲性能，甚至能够卷曲成螺旋形状。作者进一步探究了器件的响应时间，并对具有不同PPy(DBS)厚度的设备进行了测试。结果显示，PPy(DBS)薄膜的厚度与器件的弯曲振幅密切相关，较厚的薄膜能够产生更大的弯曲振幅，但过大的厚度会导致双层结构的刚度增加，从而限制了弯曲运动。最后，作者通过500次重复刺激周期的循环测试验证了这些致动器的稳定性和可靠性。

图2：电-化学-机械评估。

软机器人周围神经袖套电极的设计

这些套电极由微触发元件组成，可根据需求进行形态变换，并由分布式的电生理学电极环绕。作者通过工程化的非对称分布，实现了快速将原始形状转变为螺旋配置，形成了四个转弯。作者还构建了具有非对称结构的螺旋可致动神经袖套，这些设备的整体结构非常紧凑，采用了薄膜层状结构，表现出卓越的柔性。他们通过简化电连接线路和控制组件，减少了机械失配的风险，促进了微型化的过程。作者还验证了这些电极的能力，在体外条件下自动绕细小的神经模拟物体，从而为神经介面的设计和实现提供了新的思路。

图3：软致动器集成的神经袖套电极。

神经袖套的体内验证过程

作者选择了2微米厚的PaC和4微米厚的PPy(DBS)的组合作为最终设计用于大鼠坐骨神经的神经袖套电极，并集成了28个PEDOT:PSS/Au微电极用于神经活动记录。在体内验证前，作者通过活/死细胞检测评估了PPy(DBS)的细胞活力，结果显示其细胞存活率约为99%。此外，PEDOT:PSS的引入使得电生理学微电极具有较低的阻抗，并且即使在进行了1000次大弯曲循环后，阻抗也几乎没有增加。在植入过程中，作者通过施加电压使设备自行绕绳，最终实现了与坐骨神经的一致性界面。通过按压小鼠的爪子进行界面质量评估，结果表明植入的装置能够准确地记录神经活动，而且在拆卸时能够轻松移除。

图4：软致动器辅助外周神经袖套的植入和体内验证，用于微创手术。

总之，该研究设计了一种新型的神经袖套电极，利用软电化学致动器和薄膜生物电子学的结合，实现了低电压形状转换，用于微创神经界面手术。这种设计无需额外的笨重致动器和复杂控制系统，具有重复使用的韧性和适当的弯曲半径，有望在临床神经监测和其他医疗应用中发挥重要作用。

来源：高分子科学前沿

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