熱線:021-56056830,66110819
手機:13564362870
熱線:021-56056830,66110819
手機:13564362870
柔性材料在運動自適應神經接口的研究中發揮了重要作用,使使其在體內應用于神經調控和電生理信號記錄,尤其是在脊髓和周邊神經等經歷復雜活動的組織中。然而傳統電極因其機械性能與脆弱的神經組織不匹配,常導致組織損傷,限制了在自由運動條件下穩定記錄深層神經信號的能力。因此,需要一種能夠適應運動的柔性材料神經接口,以在自然運動中減少神經損傷并能穩定獲取生理信號。
近日,美國紐約州立大學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中重排特性的啟發,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,通過循環拉伸過程構建了具有各向異性的導電路徑,從而優化了導電水凝膠性能。實驗制備的各向異性導電水凝膠電極(直徑187±13μm)在20%應變條件下經過20,000次循環拉伸后仍保持優異的機械穩定性和較高的拉伸性能(64.5±7.9%),同時具有較低的電化學阻抗(在1 kHz頻率下,1 cm2的電極阻抗為33.20±9.27 kΩ)。
實驗觀察到納米填料在軸向上的重構與對齊現象,并在循環拉伸方向上出現了阻抗的各向異性下降。這些結果表明,該水凝膠纖維在長期應變條件下仍保持穩定導電性能,適用于動態組織環境下的神經接口應用。相關研究以“Anisotropic hydrogel microelectrodes for intraspinal neural recordings in vivo”為題發表在《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神經元的電生理信號記錄
研究者開發了穿透性軟微電極能夠更精確地訪問深層神經組織,減少組織損傷,并實現長期在位的電生理信號記錄。通過在交聯聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol,PVA)水凝膠基質中嵌入導電碳納米管(Carbon nanotubes,CNTs),賦予PVA水凝膠在復雜機械環境下的穩定導電性、低彈性模量、高抗疲勞性和優良的生物相容性。為驗證CNTs-PVA水凝膠柔性電子器件的導電性和穩定性,作者在自由活動狀態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神經元(ventral horn motor neuron)中,連續記錄長達8個月的自發電生理信號,充分證明了其在長期神經監測中的潛在應用價值。