摘要：基于柔性纖維的微電極允許對電活性細胞和組織進行安全和長期的研究和調(diào)節(jié)。與平面電極相比，它們提高了靶向精度，同時最大限度地減少了裝置-組織機械不匹配的副作用。然而，當前的制造方法面臨可擴展性、可再現(xiàn)性和處理挑戰(zhàn)，阻礙了大規(guī)模部署。此外，只有少數(shù)設計能夠記錄理解復雜生物系統(tǒng)并與之互動所必需的電和生化信號。在這項研究中，我們提出了一種方法，該方法利用MXenes(一種不同的二維納米材料)的導電性和易加工性，以快速(高達15 mm/s)將MXene涂層連續(xù)涂覆到商用尼龍絲(直徑為30-300微米)上，實現(xiàn)低于10ω/cm的線性電阻。然后將MXene涂覆的細絲批量加工成自立式纖維微電極，即使在打結時也具有優(yōu)異的柔韌性、耐久性和一致的性能。我們展示了這些纖維電極的電化學性質(zhì)及其過氧化氫(H2O2)感測能力，并展示了它們在體內(nèi)(嚙齒動物)和離體(膀胱組織)的應用。這種可擴展的工藝制造了高性能微纖維電極，可以輕松定制并部署在各種生物電子監(jiān)控和刺激研究中，有助于更深入地了解健康和疾病。

引言

與其他幾何形狀的電極相比，纖維形電極提供了更高的空間和時間分辨率，因為它們靠近目標生物細胞。小電極直徑(D)可降低插入阻力和相關損害。它顯著降低了彎曲剛度K∝D4，從而減少了組織損傷和信號損失，這對于長期植入至關重要。此外，與具有固定設備配置的平面電極不同，微纖維電極具有更大的靈活性和更少的幾何約束。它們可以插入或包裹不同幾何形狀的目標組織，甚至可以作為單個電極或電極束放置在細胞之間。這種多功能性使它們適用于各種情況。最近，熱拉伸已成為制造多功能神經(jīng)探針的一種強大方法。然而，這種工藝對材料選擇造成了限制，并面臨著將直徑減小到100微米以下的挑戰(zhàn)。此外，緩慢的生產(chǎn)速度使熱拉伸難以滿足生物界面的大規(guī)模和多模態(tài)要求。MXenes的易加工性和多功能性為制造高性能纖維狀電極提供了一種替代的流水線工藝。

在這里，作者提出了一種快速、可擴展和通用的浸涂技術，用于制造導電和柔性的Ti3C2Tx微纖維電極，這些電極可以很容易地定制用于各種生物研究。這種方法生產(chǎn)的MXene涂層纖維具有可調(diào)的機械、電氣和電化學性能，具有精確和可重復的均勻MXene涂層。這些品質(zhì)在以前的MXene纖維涂層研究中是無法達到的。此外，我們在浸涂過程中利用MXene溶液彎月面中的剪切力，使MXene薄片沿著單根尼龍絲的表面排列并共形涂覆，這是一種尚未用于MXene纖維涂層的策略。這實現(xiàn)了低線性電阻(低至9.3±1.1ω/cm)，即使在高拉伸速度下(高達15 mm/s)。這些涂有MXene的細絲可以有效地批量制造成纖維電極陣列，用聚對二甲苯C的絕緣層封裝，并且在用于電記錄、刺激和H2O2感測時僅在尖端暴露。MXene纖維微電極表現(xiàn)出優(yōu)異的打結性和便于操作和植入的良好機械性能。我們在大鼠神經(jīng)和肌肉體內(nèi)以及離體膀胱組織中證明了這些制作簡單的多功能纖維電極的多功能性。這些纖維微電極為各種生物應用提供了經(jīng)濟、耐用和用戶友好的小型化平臺。

研究報告

1.MXene使能的微纖維電極制造：

在這項研究中，作者利用MXenes和尼龍的優(yōu)點，用浸涂法制作了柔性纖維狀微電極。尼龍絲因其重量輕、耐化學性高、機械耐久性和成本效益而被選為基材。此外，尼龍絲是美國食品和藥物管理局(FDA)批準用于醫(yī)療器械的材料，如永久性縫合線、導管和牙科植入物。尼龍纖維是通過熔融紡絲以連續(xù)方式生產(chǎn)的。尼龍上的正電荷導致帶負電荷的MXene牢固結合。如果應用連續(xù)的MXene涂層，它可以使電子沿著細絲的整個長度傳導。選擇不同直徑的圓形尼龍絲進行概念驗證研究，以簡化動態(tài)彎月面中的MXene/底物相互作用，并確保與生物電子學中當前的纖維微電極探針具有可比性。通過混酸法制備了平均粒徑為1微米的單層Ti3C2Tx薄片。使用紫外可見光譜和X射線衍射(XRD)分析證實了合成的成功。Ti3C2Tx薄片上大量帶負電荷的官能團(如-F、-CI、-OH)會在水中產(chǎn)生較大的負ζ電位(50 mV),使其能夠形成穩(wěn)定的溶液，用于浸涂，無需任何表面活性劑或添加劑。此外，通過調(diào)節(jié)MXene薄片的尺寸和/或濃度，可以在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)溶液的流變性，消除了對流變稀釋劑和增稠劑的需要。MXene涂層細絲可根據(jù)其特性進行選擇，切割成預期應用所需的長度，并用10微米厚的聚對二甲苯C層進行封裝(圖1b)。聚對二甲苯是一種美國藥典(USP)VI類聚合物，廣泛用作慢性醫(yī)療設備的生物相容性封裝材料。由于其阻隔性能、柔韌性和可加工性，聚對二甲苯已成為生物電子學的常用基材和鈍化層。一旦在尖端切割封裝纖維，就會暴露出可控量的MXene，從而提供易于處理和可再現(xiàn)結果的優(yōu)勢(圖1c)。與由其他材料制成的微纖維電極(例如，需要大量拋光的脆性碳纖維)相比，這代表著電極制造和部署過程的顯著簡化。這些電極可以生產(chǎn)成不同的長度，以在體內(nèi)、體外或離體研究各種規(guī)模的生物系統(tǒng)，從細胞(～10-20微米)、類器官(～1-5mm)和組織(>1 cm)到大腦和肌肉(圖1d)。

Fig1纖維電極制造和潛在應用示意圖。(a)由尼龍長絲穿過單層MXene薄片分散體組成的浸涂工藝示意圖。在此過程中，MXene薄片通過彎月面中存在的剪切力在軸向上排列。(b)尼龍絲、MXene涂層尼龍絲和Parylene涂層電極的示意圖和數(shù)碼照片。(c)切割電極的示意圖，MXene涂層的橫截面暴露在外，以及它們在這項工作中表現(xiàn)出的能力。(MXene電極在各種生物系統(tǒng)中的潛在應用，包括細胞、類器官、大腦和肌肉。

2.坐骨神經(jīng)的在體電記錄和刺激：

在這項研究中，作者對不同直徑(300、100和28微米)的MXene電極進行了計時電位測定。所有電極都以15 mm/s的速度涂有110 mg/mL的MXene，每種尺寸制備一組3個電極。作者描繪了陰極電位偏移Ec和增加的注入陰極電流幅度之間的關系，揭示了平均Ec隨著電極直徑的減小而減小(圖2a，b)。隨著電極直徑的減小，對應于陰極極限處E mc的電流計算為642.2±101.2、108.2±30.9和2.32±1.05μA，分別轉(zhuǎn)換為321.1±50.6、54.1±15.4和1.16±0.53 nC的最大陰極電荷(圖2c)。這表明，較厚的電極可以承受更大的電流，使它們能夠在需要時向目標組織或細胞傳遞更多電荷，以引起響應。與CICc與電極面積的既定比例相一致，100個微米電極的CICc為39.0±11.1 mC/cm2，而300個微米電極的CICc為18.8±3.0 mC/cm2。這歸因于較小的電極有助于更快的離子擴散，且不容易出現(xiàn)不均勻的電流分布，這被稱為邊緣效應。將MXene電極與其他材料制成的電極進行比較，MXene電極的CICc明顯更高。這可以歸因于環(huán)形有源區(qū)，這再次減輕了圓形橫截面中的不均勻電流分布問題。此外，堆疊的MXene薄片中的狹縫可能有助于電解質(zhì)的芯吸，從而擴大與電解質(zhì)接觸的實際表面積。

然后，作者評估了MXene纖維微電極在體內(nèi)電生理學研究中的性能。這里，作者將MXene纖維電極的雙極組件放置在大鼠的坐骨神經(jīng)上，用于傳遞刺激電流脈沖(圖2d)。一個獨立的MXene纖維電極被放置在脛骨前肌的頂部，以記錄誘發(fā)的肌電圖(EMG)活動。通過一對300微米MXene電極在坐骨神經(jīng)上施加200μA的刺激電流脈沖后，成功記錄了誘發(fā)肌電圖(圖2e)。由MXene電極記錄的誘發(fā)EMG的SNR對于100和300微米MXene微纖維分別為15.20±0.32和13.92±0.53 dB。增加坐骨神經(jīng)上刺激電流的幅度導致誘發(fā)肌電圖的峰-峰幅度增加，直到達到最大募集(圖2e)。注意到，對于100和300微米MXene纖維電極，分別用50和75μA電流脈沖觀察到最大募集。這是在電流幅度遠低于100和300微米MXene電極所允許的最大幅度(分別為642.2±101.2和108.2±30.9μA)時實現(xiàn)的。作者將MXene微纖維的刺激和記錄能力分別與市售的鎢(W)和不銹鋼電極進行了對比。通過雙極W電極的刺激遵循與MXene電極相似的趨勢，最大募集發(fā)生在80μA左右。另一方面，通過不銹鋼電極誘發(fā)的肌電圖記錄顯示信噪比為19.72±0.52 dB。這些電極的更大SNR可歸因于它們更高的電導率和這些電極更大的幾何覆蓋區(qū)，因為不銹鋼絲的側(cè)面也暴露于肌肉組織。這提供了用于感測和調(diào)節(jié)電生理活動的MXene纖維微電極的體內(nèi)演示。

Fig2 MXene-尼龍微纖維電極可以記錄和刺激電生理活動。(a)針對直徑為300、100和28微米的110 mg/mL MXene、15 mm/s涂層電極，繪制陰極電位偏移Ec值與注入陰極電流振幅的關系圖。MXene電極的陰極電壓限值顯示為虛線，SD顯示為陰影(n=3)。(b)對于28微米直徑的電極，在縮放的x軸上繪制相同的圖。(c)穿過3種不同尺寸的電極注入的最大電荷(C)。(d)體內(nèi)刺激和記錄實驗的示意圖，其中一對MXene電極放置在坐骨神經(jīng)上作為雙極刺激電極，另一個MXene電極放置在脛骨前肌的表面上作為記錄電極。(e)當使用一對300微米MXene電極以200μA的陰極電流刺激坐骨神經(jīng)時，300微米MXene電極記錄的脛骨前肌的代表性誘發(fā)肌電圖(EMG)電位。灰色曲線表示單個脈沖(n=10)，紫色曲線表示單個軌跡的平均值。(f)使用100和300微米MXene微電極測量的作為刺激電流幅度函數(shù)的峰-峰誘發(fā)肌電圖。

3.總結

在這項研究中，作者介紹了一種使用Ti3C2Tx MXene快速制備多功能微纖維電極的高通量方法。在高速涂布過程中使用剪切力使得能夠采用濃度高達110 mg/mL的粘性MXene分散體。通過這種方法，MXene薄片被有效地排列，以在最小MXene消耗下在單次通過后產(chǎn)生具有10ω/cm的低電阻(電導率為7093 819 S/cm)的涂層。這種創(chuàng)新的工藝開發(fā)出了可靠、耐用、低成本的Ti3C2Tx微纖維電極，不含添加劑和集電器。此外，通過調(diào)整MXene濃度、細絲直徑和涂覆速度，作者的適應性方法有助于輕松定制電極的電氣、機械和電化學特性。這些電極表現(xiàn)出多功能性，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向電通信和H2O2檢測，通過體內(nèi)和體外研究進行了驗證。此外，電極可以有效地進行高密度和多模式陣列的復用，并與其他研究技術(如MRI和光學刺激)集成。還可以設想在可穿戴電子設備中的應用，其中需要纖維形狀的集電器或電極。