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

近日，美國紐約州立大學(xué)賓漢姆頓分校饒思圓和汪前彬受納米導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電碳納米管引入到半結晶聚乙烯醇PVA水凝膠中，通過(guò)循環(huán)拉伸過(guò)程構建了具有各向異性的導電路徑，從而優(yōu)化了導電水凝膠性能。實(shí)驗制備的各向異性導電水凝膠電極（直徑187±13μm）在20%應變條件下經(jīng)過(guò)20,000次循環(huán)拉伸后仍保持優(yōu)異的機械穩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)驗觀(guān)察到納米填料在軸向上的重構與對齊現象，并在循環(huán)拉伸方向上出現了阻抗的各向異性下降。這些結果表明，該水凝膠纖維在長(cháng)期應變條件下仍保持穩定導電性能，適用于動(dòng)態(tài)組織環(huán)境下的神經(jīng)接口應用。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電性能

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

圖3小鼠在體肌電信號記錄

圖4小鼠在體脊髓內腹角運動(dòng)神經(jīng)元的電生理信號記錄

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)現長(cháng)期在位的電生理信號記錄。通過(guò)在交聯(lián)聚乙烯醇（Polyvinyl alcohol,PVA）水凝膠基質(zhì)中嵌入導電碳納米管（Carbon nanotubes,CNTs），賦予PVA水凝膠在復雜機械環(huán)境下的穩定導電性、低彈性模量、高抗疲勞性和優(yōu)良的生物相容性。為驗證CNTs-PVA水凝膠柔性電子器件的導電性和穩定性，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。

此外，該生物柔性電子器件還能在小鼠脊髓內腹角運動(dòng)神經(jīng)元（ventral horn motor neuron）中，連續記錄長(cháng)達8個(gè)月的自發(fā)電生理信號，充分證明了其在長(cháng)期神經(jīng)監測中的潛在應用價(jià)值。