柔性材料在運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)神經(jīng)接口的研究中發(fā)揮了重要作用，使使其在體內(nèi)應(yīng)用于神經(jīng)調(diào)控和電生理信號(hào)記錄，尤其是在脊髓和周邊神經(jīng)等經(jīng)歷復(fù)雜活動(dòng)的組織中。然而傳統(tǒng)電極因其機(jī)械性能與脆弱的神經(jīng)組織不匹配，常導(dǎo)致組織損傷，限制了在自由運(yùn)動(dòng)條件下穩(wěn)定記錄深層神經(jīng)信號(hào)的能力。因此，需要一種能夠適應(yīng)運(yùn)動(dòng)的柔性材料神經(jīng)接口，以在自然運(yùn)動(dòng)中減少神經(jīng)損傷并能穩(wěn)定獲取生理信號(hào)。

近日，美國(guó)紐約州立大學(xué)賓漢姆頓分校饒思圓和汪前彬受納米導(dǎo)電材料在聚合物基質(zhì)中重排特性的啟發(fā)，將具有高縱橫比的導(dǎo)電碳納米管引入到半結(jié)晶聚乙烯醇PVA水凝膠中，通過(guò)循環(huán)拉伸過(guò)程構(gòu)建了具有各向異性的導(dǎo)電路徑，從而優(yōu)化了導(dǎo)電水凝膠性能。實(shí)驗(yàn)制備的各向異性導(dǎo)電水凝膠電極（直徑187±13μm）在20%應(yīng)變條件下經(jīng)過(guò)20,000次循環(huán)拉伸后仍保持優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性和較高的拉伸性能（64.5±7.9%），同時(shí)具有較低的電化學(xué)阻抗（在1 kHz頻率下，1 cm2的電極阻抗為33.20±9.27 kΩ）。

實(shí)驗(yàn)觀(guān)察到納米填料在軸向上的重構(gòu)與對(duì)齊現(xiàn)象，并在循環(huán)拉伸方向上出現(xiàn)了阻抗的各向異性下降。這些結(jié)果表明，該水凝膠纖維在長(zhǎng)期應(yīng)變條件下仍保持穩(wěn)定導(dǎo)電性能，適用于動(dòng)態(tài)組織環(huán)境下的神經(jīng)接口應(yīng)用。相關(guān)研究以“Anisotropic hydrogel microelectrodes for intraspinal neural recordings in vivo”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。

圖1基于張力增強(qiáng)各向異性納米取向（Tension Reinforcement for Anisotropic Nano-orientation,TRAIN）策略：用于提高水凝膠電極的導(dǎo)電性能

圖2基于張力增強(qiáng)各向異性納米取向（Tension Reinforcement for Anisotropic Nano-orientation,TRAIN）策略的機(jī)理研究

圖3小鼠在體肌電信號(hào)記錄

圖4小鼠在體脊髓內(nèi)腹角運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的電生理信號(hào)記錄

研究者開(kāi)發(fā)了穿透性軟微電極能夠更精確地訪(fǎng)問(wèn)深層神經(jīng)組織，減少組織損傷，并實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期在位的電生理信號(hào)記錄。通過(guò)在交聯(lián)聚乙烯醇（Polyvinyl alcohol,PVA）水凝膠基質(zhì)中嵌入導(dǎo)電碳納米管（Carbon nanotubes,CNTs），賦予PVA水凝膠在復(fù)雜機(jī)械環(huán)境下的穩(wěn)定導(dǎo)電性、低彈性模量、高抗疲勞性和優(yōu)良的生物相容性。為驗(yàn)證CNTs-PVA水凝膠柔性電子器件的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，作者在自由活動(dòng)狀態(tài)下的小鼠中成功記錄了肌電信號(hào)。

此外，該生物柔性電子器件還能在小鼠脊髓內(nèi)腹角運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元（ventral horn motor neuron）中，連續(xù)記錄長(zhǎng)達(dá)8個(gè)月的自發(fā)電生理信號(hào)，充分證明了其在長(zhǎng)期神經(jīng)監(jiān)測(cè)中的潛在應(yīng)用價(jià)值。