來(lái)自英國劍橋大學(xué)的George G.Malliaras團隊利用軟機器人致動(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)驅動(dòng)的導電聚合物軟致動(dòng)器與低阻抗微電極結合在一起。這些袖套在小至幾百毫伏的外加電壓驅動(dòng)下，可以主動(dòng)抓取或包裹脆弱的神經(jīng)。本研究利用體內大鼠模型對這項技術(shù)進(jìn)行了驗證，結果表明，這種袖套無(wú)需使用手術(shù)縫合線(xiàn)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)現術(shù)中微創(chuàng )神經(jīng)活動(dòng)監測和高質(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日的國際頂級期刊《Nature Materials》。

設計

本研究開(kāi)發(fā)了軟機器人、薄膜生物電子外周神經(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，可通過(guò)可編程的電子輸入進(jìn)行控制。

本研究的軟機器人外周神經(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?chē)欠植际诫娚韺W(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不同直徑的神經(jīng)，避免了傳統袖帶因電極-神經(jīng)束排列不整齊而經(jīng)常出現的通信問(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)縫集成為設計致動(dòng)器的形狀和分布留出了空間，以滿(mǎn)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(zhù)電極的排列方向進(jìn)行大的彎曲，可實(shí)現的彎曲半徑小至170微米（圖1b）。值得注意的是，通過(guò)設計致動(dòng)器元件的非對稱(chēng)分布實(shí)現了螺旋包裹神經(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變?yōu)槁菪Y構，在2.1秒內形成四圈。然后，利用這種不對稱(chēng)結構構建了螺旋可驅動(dòng)神經(jīng)袖帶。圖1d是袖帶的剖視示意圖。裝置的整體結構如圖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節。

定制接口部分包括致動(dòng)器和微電極，寬度為2.1毫米，長(cháng)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(xiàn)，無(wú)需使用傳統致動(dòng)機構中常見(jiàn)的復雜而堅固的控制元件。這種簡(jiǎn)化減少了機械不匹配的風(fēng)險，有利于微型化進(jìn)程。在靜態(tài)拉伸測試中（圖1f），薄層結構顯示出1.24 GPa的模量，與PaC的模量（1.13 GPa）非常接近，表明薄金屬層對模量的影響微乎其微。

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

本研究使用從F?ppl–von Kármán板理論中推導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械不匹配問(wèn)題，促進(jìn)了更親密、更穩定的界面，大大降低了組織損傷引起的異物反應。使用簡(jiǎn)化的裝置驗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線(xiàn)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。

導線(xiàn)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)組合作為最終設計，并在大鼠坐骨神經(jīng)上進(jìn)行了體內驗證，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）。為了在體內驗證前評估PPy(DBS)的細胞活力，使用播種在PPy(DBS)上的SH-SY5Y細胞和作為對照的玻璃載玻片進(jìn)行了活/死細胞檢測。所有PPy（DBS）樣品都表現出顯著(zhù)的細胞活力，細胞活力值約為99%，與玻璃載玻片上的對照組相似（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（圖2c）。

總結與展望

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。利用傳統的微細加工技術(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構中的薄膜設備。這種電力驅動(dòng)的軟機器人電極無(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雜控制系統。憑借溶解陽(yáng)離子在外加電壓作用下的可逆傳輸，實(shí)現了形狀轉換。為確保在生物醫學(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 )導致較低的致動(dòng)力，但微米厚的薄膜結構卻能產(chǎn)生理想的較大致動(dòng)應變。本研究通過(guò)設計致動(dòng)元件的分布，展示了不同的形狀變換模式。此外，打破結構對稱(chēng)性還可以實(shí)現復雜的螺旋形狀。本研究強調，必須精心設計每一層的厚度，以?xún)?yōu)化特定應用設置的性能。