基于可拉伸、自卷曲微流控電子器件的高適形性神經(jīng)接口開發(fā)

開發(fā)植入式神經(jīng)電子接口在長期腦機(jī)接口和神經(jīng)科學(xué)治療中具有重要意義。然而，由于電極-神經(jīng)界面之間的機(jī)械和幾何失配，缺乏個(gè)性化和兼容性的神經(jīng)界面仍然是外周神經(jīng)調(diào)控所面臨的重大挑戰(zhàn)。

近期，南方科技大學(xué)蔣興宇教授、中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院魯藝研究員和南京醫(yī)科大學(xué)Chang Cui等人介紹了一類可拉伸和柔性電子器件作為神經(jīng)診斷和調(diào)節(jié)的自卷曲神經(jīng)接口。這些可拉伸電子器件由液態(tài)金屬-聚合物導(dǎo)體作為組件，使用分辨率可達(dá)30 μm的微流控打印技術(shù)進(jìn)行制造。它們?cè)谏眢w運(yùn)動(dòng)過程中表現(xiàn)出高適形性和可拉伸性（超過600%的應(yīng)變），并且在長期植入過程中（超過8周）具有良好的生物相容性。這些可拉伸的電子器件具備對(duì)癲癇樣活動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力，與柔軟的腦組織具有極好的適形性。

該研究還開發(fā)了自卷曲微流控電極，該電極能夠以最小的約束（直徑160 μm）緊緊纏繞變形的神經(jīng)。迷走神經(jīng)和坐骨神經(jīng)的體內(nèi)信號(hào)記錄證明了該自卷曲袖帶電極可通過記錄動(dòng)作電位和降低心率來調(diào)節(jié)坐骨神經(jīng)和迷走神經(jīng)的潛力。這項(xiàng)研究的發(fā)現(xiàn)表明，堅(jiān)固、易于使用的自卷曲微流控電極有望為具有良好兼容性的神經(jīng)電子學(xué)和神經(jīng)調(diào)節(jié)提供有用的工具。相關(guān)工作以“Stretchable, Self-Rolled, Microfluidic Electronics Enable Conformable Neural Interfaces of Brain and Vagus Neuromodulation”為題發(fā)表在ACS Nano期刊上。

如圖1所示，科研人員將液態(tài)金屬-聚合物導(dǎo)體與微流控打印相結(jié)合，設(shè)計(jì)和制造了微流控電極陣列（MEA）。MEA系統(tǒng)由可拉伸聚合物基底上的可拉伸液態(tài)金屬電子器件和生物相容性密封劑組成，經(jīng)過液態(tài)金屬顆粒的超聲處理、液態(tài)金屬顆粒到微流控通道的微流控印刷、功能性聚合物基底的旋涂、轉(zhuǎn)移到聚合物基底的過程進(jìn)行制造。

圖1 微流控電極制備

該微流控電極與大鼠的初級(jí)神經(jīng)元和腦組織表現(xiàn)出良好的生物相容性（~ 8周），并可對(duì)癲癇發(fā)作的癲癇樣活動(dòng)提供可靠的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

此外，對(duì)于周圍神經(jīng)系統(tǒng)，如迷走神經(jīng)和坐骨神經(jīng)，由于聚合物基底（直徑160 μm）的內(nèi)應(yīng)力，微流控電極陣列可以在最小約束的情況下自卷到變形的神經(jīng)上。因此，科研人員進(jìn)一步證明了微流控電極陣列作為自卷曲袖帶電極在迷走神經(jīng)和坐骨神經(jīng)動(dòng)作電位記錄中的潛在應(yīng)用。因此，該研究闡釋了在減少機(jī)械失配和降低神經(jīng)損傷的情況下連接腦組織和外周神經(jīng)的能力在神經(jīng)科學(xué)和神經(jīng)治療中的神經(jīng)記錄和電刺激方面具有廣泛的潛力。

圖2 神經(jīng)調(diào)控示意圖






審核編輯：劉清