來(lái)自英國(guó)劍橋大學(xué)的George G.Malliaras團(tuán)隊(duì)利用軟機(jī)器人致動(dòng)器和柔性電子器件的最新進(jìn)展，開(kāi)發(fā)出了高度保形的神經(jīng)袖帶，它將電化學(xué)驅(qū)動(dòng)的導(dǎo)電聚合物軟致動(dòng)器與低阻抗微電極結(jié)合在一起。這些袖套在小至幾百毫伏的外加電壓驅(qū)動(dòng)下，可以主動(dòng)抓取或包裹脆弱的神經(jīng)。本研究利用體內(nèi)大鼠模型對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，這種袖套無(wú)需使用手術(shù)縫合線或膠水，就能與大鼠坐骨神經(jīng)形成并保持自閉合和可靠的生物電子界面。這種軟電化學(xué)致動(dòng)器與神經(jīng)技術(shù)的無(wú)縫整合為實(shí)現(xiàn)術(shù)中微創(chuàng)神經(jīng)活動(dòng)監(jiān)測(cè)和高質(zhì)量生物電子接口提供了一條途徑。相關(guān)工作以題為“Electrochemically actuated microelectrodes for minimally invasive peripheral nerve interfaces”的文章發(fā)表在2024年04月26日的國(guó)際頂級(jí)期刊《Nature Materials》。

設(shè)計(jì)

本研究開(kāi)發(fā)了軟機(jī)器人、薄膜生物電子外周神經(jīng)袖帶，它集成了數(shù)十個(gè)分布式高分辨率微電極和基于導(dǎo)電聚合物的雙層致動(dòng)器，可通過(guò)可編程的電子輸入進(jìn)行控制。

本研究的軟機(jī)器人外周神經(jīng)袖帶由微圖案致動(dòng)元件組成，可按需進(jìn)行形狀變形，周圍是分布式電生理學(xué)電極。圖1a展示了兩幅插圖：一幅描繪了輕柔地握住神經(jīng)的過(guò)程，而另一幅則展示了圍繞神經(jīng)的螺旋纏繞。后一種方法能夠適應(yīng)不同直徑的神經(jīng)，避免了傳統(tǒng)袖帶因電極-神經(jīng)束排列不整齊而經(jīng)常出現(xiàn)的通信問(wèn)題。致動(dòng)器本質(zhì)上是電子元件，與微電極陣列采用相同的光刻制造工藝。這種無(wú)縫集成為設(shè)計(jì)致動(dòng)器的形狀和分布留出了空間，以滿足定制的形狀變化需求。

例如，致動(dòng)器元件的垂直排列最大限度地減少了向垂直方向的彎曲，只允許沿著電極的排列方向進(jìn)行大的彎曲，可實(shí)現(xiàn)的彎曲半徑小至170微米（圖1b）。值得注意的是，通過(guò)設(shè)計(jì)致動(dòng)器元件的非對(duì)稱分布實(shí)現(xiàn)了螺旋包裹神經(jīng)袖帶。

如圖1c所示，傾斜Au/PPY(DBS)元件的集成使原始形狀迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪Y(jié)構(gòu)，在2.1秒內(nèi)形成四圈。然后，利用這種不對(duì)稱結(jié)構(gòu)構(gòu)建了螺旋可驅(qū)動(dòng)神經(jīng)袖帶。圖1d是袖帶的剖視示意圖。裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖1e所示，放大的光學(xué)顯微照片提供了致動(dòng)器和微電極陣列的細(xì)節(jié)。

定制接口部分包括致動(dòng)器和微電極，寬度為2.1毫米，長(zhǎng)度為10.7毫米。特別值得一提的是，所有功能元件都共用一套柔性電觸點(diǎn)和連接線，無(wú)需使用傳統(tǒng)致動(dòng)機(jī)構(gòu)中常見(jiàn)的復(fù)雜而堅(jiān)固的控制元件。這種簡(jiǎn)化減少了機(jī)械不匹配的風(fēng)險(xiǎn)，有利于微型化進(jìn)程。在靜態(tài)拉伸測(cè)試中（圖1f），薄層結(jié)構(gòu)顯示出1.24 GPa的模量，與PaC的模量（1.13 GPa）非常接近，表明薄金屬層對(duì)模量的影響微乎其微。

盡管基于PaC的設(shè)備比神經(jīng)組織更堅(jiān)硬，但其超薄的外形卻賦予了其顯著的靈活性。

本研究使用從F?ppl–von Kármán板理論中推導(dǎo)出的模型估算了它們的彎曲剛度。得出的彎曲剛度為21 Pa mm3，相當(dāng)于厚度為11.4μm的單層PPy（DBS）或厚度為40.0μm的單層聚二甲基硅氧烷。這種低剛度有效地解決了植入物與組織之間的機(jī)械不匹配問(wèn)題，促進(jìn)了更親密、更穩(wěn)定的界面，大大降低了組織損傷引起的異物反應(yīng)。使用簡(jiǎn)化的裝置驗(yàn)證了袖帶在體外自我包裹神經(jīng)的能力，該裝置包括將一根絕緣導(dǎo)線作為坐骨神經(jīng)模型浸沒(méi)在PBS溶液中，并置于瓊脂糖凝膠上。

導(dǎo)線和凝膠之間保持很小的間隙，允許裝置穿過(guò)。如圖1g所示，逐步施加-0.4至0.4 V的電壓時(shí)，裝置緩慢纏繞假體并逐漸收緊，直至形成牢固的抓握，并在施加-0.4 V電壓時(shí)松開(kāi)。裝置的纏繞半徑由PaC層和PPy（DBS）層的厚度控制（圖1h）。

驗(yàn)證

本研究選擇了2微米厚的PaC和4微米厚的PPy(DBS)組合作為最終設(shè)計(jì)，并在大鼠坐骨神經(jīng)上進(jìn)行了體內(nèi)驗(yàn)證，其中集成了28個(gè)聚(3,4-亞乙二氧基噻吩)聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS）/金微電極，用于記錄神經(jīng)活動(dòng)（圖2a）。為了在體內(nèi)驗(yàn)證前評(píng)估PPy(DBS)的細(xì)胞活力，使用播種在PPy(DBS)上的SH-SY5Y細(xì)胞和作為對(duì)照的玻璃載玻片進(jìn)行了活/死細(xì)胞檢測(cè)。所有PPy（DBS）樣品都表現(xiàn)出顯著的細(xì)胞活力，細(xì)胞活力值約為99%，與玻璃載玻片上的對(duì)照組相似（圖2b）。此外，在電生理學(xué)微電極中加入PEDOT:PSS后，阻抗很低（在PBS中1 kHz時(shí)為4.1±0.4 kΩ），即使經(jīng)過(guò)1,000次大的彎曲循環(huán)，阻抗的增加也可以忽略不計(jì)（圖2c）。

總結(jié)與展望

將軟電化學(xué)致動(dòng)器集成到薄膜生物電子學(xué)中，可為微創(chuàng)神經(jīng)連接手術(shù)提供一種新型的柔性。利用傳統(tǒng)的微細(xì)加工技術(shù)，本研究制備了將精確圖案化的致動(dòng)器元件和微電極陣列集成在單一結(jié)構(gòu)中的薄膜設(shè)備。這種電力驅(qū)動(dòng)的軟機(jī)器人電極無(wú)需額外的笨重和剛性致動(dòng)器以及其他方法中常用的復(fù)雜控制系統(tǒng)。憑借溶解陽(yáng)離子在外加電壓作用下的可逆?zhèn)鬏?，?shí)現(xiàn)了形狀轉(zhuǎn)換。為確保在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的安全使用，本研究已將致動(dòng)所需的電壓大幅降至極低值。雖然這可能會(huì)導(dǎo)致較低的致動(dòng)力，但微米厚的薄膜結(jié)構(gòu)卻能產(chǎn)生理想的較大致動(dòng)應(yīng)變。本研究通過(guò)設(shè)計(jì)致動(dòng)元件的分布，展示了不同的形狀變換模式。此外，打破結(jié)構(gòu)對(duì)稱性還可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的螺旋形狀。本研究強(qiáng)調(diào)，必須精心設(shè)計(jì)每一層的厚度，以優(yōu)化特定應(yīng)用設(shè)置的性能。