柔性材料在運動自適應神經(jīng)接口的研究中發(fā)揮了重要作用，使使其在體內(nèi)應用于神經(jīng)調(diào)控和電生理信號記錄，尤其是在脊髓和周邊神經(jīng)等經(jīng)歷復雜活動的組織中。然而傳統(tǒng)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，限制了在自由運動條件下穩(wěn)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的柔性材料神經(jīng)接口，以在自然運動中減少神經(jīng)損傷并能穩(wěn)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(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，通過循環(huán)拉伸過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20,000次循環(huán)拉伸后仍保持優(yōu)異的機械穩(wěn)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(xiàn)象，并在循環(huán)拉伸方向上出現(xiàn)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(wěn)定導電性能，適用于動態(tài)組織環(huán)境下的神經(jīng)接口應用。相關研究以“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(nèi)腹角運動神經(jīng)元的電生理信號記錄

研究者開發(fā)了穿透性軟微電極能夠更精確地訪問深層神經(jīng)組織，減少組織損傷，并實現(xiàn)長期在位的電生理信號記錄。通過在交聯(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(wěn)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(wěn)定性，作者在自由活動狀態(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(nèi)腹角運動神經(jīng)元（ventral horn motor neuron）中，連續(xù)記錄長達8個月的自發(fā)電生理信號，充分證明了其在長期神經(jīng)監(jiān)測中的潛在應用價值。