研究團隊開(kāi)發(fā)了一種高度柔性的神經(jīng)袖套，結合了電化學(xué)驅動(dòng)的導電聚合物軟致動(dòng)器與低阻抗微電極。這種設計能夠在僅需幾百毫伏的應用電壓下實(shí)現主動(dòng)抓握或環(huán)繞精細神經(jīng)的能力。通過(guò)大鼠模型進(jìn)行的體內驗證顯示，這些神經(jīng)袖套可以形成并維持一個(gè)自我封閉且可靠的生物電子接口與坐骨神經(jīng)相連而無(wú)需使用外科縫合線(xiàn)或粘合劑。研究中還探討了不同厚度的導電聚合物聚吡咯（PPy）層對致動(dòng)性能的影響，發(fā)現厚度的變化能夠影響彎曲幅度和響應時(shí)間。此外，研究證明了該裝置在重復操作下的穩定性和可靠性，并通過(guò)細胞毒性實(shí)驗確保了其生物相容性。其具有潛在的應用于治療慢性神經(jīng)痛、運動(dòng)障礙、代謝性疾病以及假肢肢體閉環(huán)控制的可能性。

研究亮點(diǎn)

1.開(kāi)發(fā)了結合電化學(xué)驅動(dòng)的導電聚合物軟致動(dòng)器與低阻抗微電極陣列的高度柔性的神經(jīng)袖套，只需幾百毫伏的電壓即可控制袖套的彎曲幅度和方向。2.摻雜十二烷基苯磺酸鹽（PPy（DBS））的聚吡咯作為驅動(dòng)材料，以達到需要的體積變化。

研究背景

傳統的周?chē)窠?jīng)接口通常需要復雜的植入手術(shù)，這些手術(shù)可能帶來(lái)較高的神經(jīng)損傷風(fēng)險。因此，研究人員致力于開(kāi)發(fā)一種微創(chuàng )的神經(jīng)接口系統，以減輕這些風(fēng)險。周?chē)窠?jīng)接口在生物電子醫學(xué)中扮演著(zhù)越來(lái)越重要的角色，已經(jīng)被用于治療慢性神經(jīng)痛、運動(dòng)障礙、代謝性疾病等。

研究?jì)热?

研究者介紹了一種軟機器人薄膜生物電子周?chē)窠?jīng)袖帶，它集成了數十個(gè)分布式高分辨率微電極和基于導電聚合物的雙層致動(dòng)器，可以通過(guò)可編程電輸入進(jìn)行控制。研究者選擇了摻雜十二烷基苯磺酸鹽（PPy(DBS)）的聚吡咯作為驅動(dòng)材料，因為它在電化學(xué)刺激下會(huì )發(fā)生巨大的體積變化。當施加輕微的負電壓時(shí)，由于溶劑化陽(yáng)離子（例如Na+）被拉入聚合物基質(zhì)中，聚合物會(huì )發(fā)生體積膨脹。相反，正電壓會(huì )導致陽(yáng)離子被驅逐回電解質(zhì)，從而導致聚合物收縮。通過(guò)利用這種可逆電化學(xué)過(guò)程，由PPy(DBS)涂覆的金(Au)形成的雙層結構表現出可控的彎曲行為。

圖1：a.電化學(xué)過(guò)程中PPy(DBS)因Na+等小陽(yáng)離子的傳輸而引起的巨大體積變化。b.PPy(DBS)/Au雙層致動(dòng)器在PBS溶液中垂直于薄膜表面來(lái)回的可逆彎曲運動(dòng)。

通過(guò)在0.1 M NaDBS/0.1 M吡咯溶液中施加2 mA cm-2的恒定電流，研究者們以電化學(xué)方式將PPy(DBS)沉積在A(yíng)u涂覆的聚對二甲苯C(PaC)薄膜上。在薄膜沉積過(guò)程中，帶負電的大體積陰離子DBS-被納入聚合物基質(zhì)中，以保持整體電荷中性。

總體而言，薄膜厚度隨著(zhù)沉積電荷量線(xiàn)性增加，每C cm-2增加約6.7μm。隨著(zhù)薄膜變厚，它往往變得越來(lái)越不均勻，受到壓實(shí)密度增加。研究者們通過(guò)在0.1 M NaDBS中以10 mV s-1進(jìn)行循環(huán)伏安法(CV)掃描來(lái)預處理薄膜，以完全激活PPy(DBS)。最初，該裝置是平坦的，但經(jīng)過(guò)幾次CV掃描后，它轉變?yōu)榫砬鸂顟B(tài)，并伴隨著(zhù)不可逆電流，在第一個(gè)周期中尤其明顯。即使在沒(méi)有任何施加電壓的情況下，預處理最終也會(huì )導致完全卷曲的狀態(tài)。較高的頻率涉及參與反應的陽(yáng)離子較少，因此導致彎曲幅度逐漸減小。這種現象與陽(yáng)離子移動(dòng)穿過(guò)聚合物基質(zhì)所需的時(shí)間有關(guān)。具有不同PPy(DBS)厚度的器件的性能表現出一致的趨勢。一般來(lái)說(shuō)，彎曲幅度隨著(zhù)轉移電荷量的增加而增加，并且高度依賴(lài)于PPy(DBS)的厚度。

研究者驗證了袖帶在體外自動(dòng)包裹神經(jīng)的能力，將絕緣線(xiàn)作為坐骨神經(jīng)模型，浸入PBS溶液中并放置在瓊脂糖凝膠上。導線(xiàn)和凝膠之間保持一個(gè)小間隙，允許裝置通過(guò)。在逐步施加從-0.4到0.4 V的電壓時(shí)，該裝置慢慢地纏繞在模型上并逐漸收緊，直到形成牢固的抓握，并在施加-0.4 V的電壓時(shí)釋放。

圖2：軟執行器集成神經(jīng)袖帶電極和柔性神經(jīng)套囊主動(dòng)包裹坐骨神經(jīng)以實(shí)現無(wú)需縫合的親密界面的概念示意圖。

研究前景

研究者們將繼續探索如何通過(guò)優(yōu)化材料和設計來(lái)提高電極陣列的性能，例如通過(guò)改進(jìn)導電聚合物的性能，使袖套能夠更好地適應神經(jīng)的形狀和尺寸。同時(shí)利用傳統的微制造技術(shù)，可以進(jìn)一步完善薄膜設備的設計，集成精確圖案化的致動(dòng)元件和微電極陣列，實(shí)現更低電壓驅動(dòng)下的形狀變換。未來(lái)的研究可能會(huì )更多地采用有限元分析來(lái)深入理解不同設計因素之間的相互作用，以及它們如何影響螺旋致動(dòng)行為，特別是極端彎曲條件下的表現。另外，盡管已經(jīng)進(jìn)行了初步的體內驗證，但仍需要進(jìn)一步研究以確保該技術(shù)的長(cháng)期生物相容性和穩定性。