周圍神經接口越來越多地用于生物電子醫學干預，以針對慢性神經性疼痛、運動障礙、代謝疾病和假肢閉環控制。與非侵入性策略相比，植入式神經接口可直接進入靶神經纖維，從而可以精確和選擇性地調節和記錄神經活動。環形纏繞的神經袖帶與穿透電極相比，神經損傷的風險較低，但現有裝置的植入需要復雜的外科手術，以確保神經周圍的正確附著。此外，現有的管狀植入物缺乏對不同直徑神經的適應性，并且通常很短（長度為幾毫米），沿神經長度的接口有限。一旦錨定，它們就無法重新定位以探索最佳電接觸點或解決慢性界面中逐漸減弱的信號。此外，臨床上的神經手術需要更好的術中神經監測電極，在整個手術過程中提供連續的神經生理記錄，以保護神經的結構和功能。
George Malliaras 現任劍橋大學生物電子學菲利普親王講席教授（Prince Philip Professor，劍橋大學級別最高的教授席位之一），美國材料學會和皇家化學學會會士。團隊主要研究基于電活性組織交互的植入式和可穿戴設備的開發和轉化。
近日，英國劍橋大學電氣工程系的George Malliaras教授率領其團隊報道了一種柔性電子神經袖帶。這種袖帶可以低至幾百毫伏的電壓驅動，主動纏繞脆弱的神經。作者團隊在大鼠模型中驗證了這項技術，表明袖帶在不使用手術縫合線或膠水的情況下形成并保持與大鼠坐骨神經的自閉和可靠的生物電子界面。軟電化學致動器與神經技術的無縫集成為神經活動的微創術中監測和高質量的生物電子接口提供了一條途徑。
設計與制造：
選擇摻雜十二烷基苯磺酸鹽（PPy（DBS））的聚吡咯作為致動材料，因為它在電化學刺激下具有顯著的體積變化。當施加輕微的負電壓時，聚合物會經歷體積膨脹。相反，正電壓會誘導陽離子排出回電解質，從而導致聚合物收縮。通過利用這種可逆的電化學過程，由PPy（DBS）涂層金（Au）形成的雙層構型表現出可控的彎曲行為。通過在 10 mV/s 下進行循環伏安法 （CV） 掃描來預處理完全激活PPy（DBS）。預處理最終導致完全卷曲狀態，即使在沒有任何施加電壓的情況下也是如此。與預處理前的清潔表面形成鮮明對比的是，處理后不平整基材存在納米顆粒。能量色散X射線光譜表明預處理前不存在鈉，而處理后觀察到明顯的鈉峰，其強度等于硫的三分之一。推斷溢出納米顆粒對應于聚合物中捕獲的鈉。進行電化學阻抗分析，預處理后向材料的電荷轉移增加。PPy（DBS）/Au可以從薄膜帶卷曲成螺旋狀，突出了其顯著體積變化和整個配置的低剛度所帶來的大應變。
圖 電化學致動器的工作原理、制造和表征
性能驗證：
接下來，研究具有簡單矩形形狀的PPy（DBS）/Au/PaC的致動性能。使用運動學模型在恒定曲率近似的基礎上評估彎曲運動。具體而言，利用帶材的兩端以及中間的一個隨機點來擬合彎曲，生成包括彎曲角度（α）、彎曲半徑（R）和曲率（κ）在內的評估參數。?1.1和0.6 V 之間交替電壓施加，使用相機記錄設備的運動并通過計算機視覺進行分析。裝置表現出對刺激的即時反應，動作表現出極好的可逆性和可重復性。
在PBS中揭示它們在生理相關環境中的性能，該裝置表現出顯著的彎曲性能，甚至能夠在兩種解決方案中卷曲成螺旋狀。在施加正電壓時，薄膜迅速轉變為螺旋。它們的平均曲率為1.6?mm?1，NaDBS和PBS中的平均彎曲角分別高達682°和597°。較高的頻率涉及較少的陽離子參與反應，因此導致彎曲幅度的逐漸減小，這種現象歸因于陽離子穿過聚合物基體所需的時間。通常，彎曲幅度隨著轉移電荷量的增加而增加，并且高度依賴于PPy（DBS）的厚度。由于PPy（DBS）層與襯底相比相對較薄，彎曲幅度隨著PPy（DBS）厚度的增加而增加，這種趨勢歸因于較厚的膜在電荷誘導的溶脹方面的更高效率。隨著厚度的不斷增加，雙層的剛度顯著增加，導致彎曲運動受到限制。增強的彎曲力和增加剛度之間的相互作用揭示 6.7 μm 為最佳厚度。
圖 電化學評估
神經袖帶電極的設計：
柔性電子周圍神經袖帶由微圖案驅動元件組成，用于按需變形，周圍環繞著分布式電生理電極。作者展示了兩個插圖：一個描繪了神經的輕柔握住，而另一個則展示了圍繞神經的螺旋纏繞。后一種方法可以適應不同直徑的神經，避免傳統袖帶中經常因電極-神經束排列不良而出現的通信問題。致動器本質上是電子元件，與微電極陣列具有相同的光刻制造工藝，這種無縫集可以滿足定制的形狀變化需求。通過設計致動器元件的不對稱分布實現了螺旋纏繞的神經袖帶，傾斜的 Au/PPy（DBS） 單元集成實現了從原始形狀到螺旋結構的快速轉換。
使用這種不對稱結構構建了螺旋可操作的神經袖帶。所有功能元件共享一組柔性電觸點和連接線，無需傳統執行機構中常見的額外復雜和剛性控制組件。這種簡化降低了機械不匹配的風險，并促進了小型化過程。在靜態拉伸試驗中，薄層結構表現出1.24 GPa的模量，與PaC（1.13 GPa）的模量非常一致，表明薄金屬層的改變最小。盡管基于 PaC 的設備比神經組織更硬，但其超薄外形賦予了非凡的靈活性。使用源自 F?ppl-von Kármán 板理論的模型估計彎曲剛度為 21 Pa mm3。這種低剛度有效地解決了種植體-組織機械不匹配的問題，促進了更親密和穩定的界面，并大大減少了由組織損傷引起的異物反應。
圖 軟致動器集成神經袖帶電極
神經袖帶的體內驗證：
選擇 2 μm 厚的 PaC 和 4 μm 厚的 PPy（DBS） 的組合作為以下大鼠坐骨神經體內驗證的最終設計，其中集成了 28 個微電極用于神經活動記錄。應用300次重復循環的±0.5 V刺激來研究電化學驅動的影響，并在72 h后評估細胞活力。所有PPy（DBS）組都表現出與對照組相似的細胞活力。在完成配置設計和表征后，將袖帶電極放置在麻醉大鼠的坐骨神經上進行體內驗證。使用PEDOT：PSS涂層的不銹鋼絲作為參比電極，并在該電極和致動器之間施加電壓以啟動形狀轉換。這些設備在植入前表現出默認的卷曲形狀。該設備最初是通過施加 ?0.5 V 電壓以呈現展開狀態，這使可手動將其放置在神經附近。隨后，在移除施加的電壓后，該裝置逐漸以螺旋方式自纏繞在神經上。然后通過記錄按壓爪子引起的神經活動，評估了在沒有任何固定膠或縫合設備的情況下實現的界面質量。由于外科醫生的輕微移動爪子，在按壓爪子之前觀察到輕微的尖峰。
監測結束后向執行器施加?0.5 V電壓，以輕輕松開接口并取出設備。試圖在不松動的情況下直接移除這個封閉結構首先需要施加更大的力來克服設備和神經之間的摩擦力和毛細血管力。反過來，這種力可以顯著壓縮組織，導致神經損傷，而施加輕微的負電壓來松動結構代表了一種消除此類損傷的生物相容性技術。這些結果突出了軟致動器集成神經袖帶在促進更靈活和精確的植入以及實現與脆弱神經的適形界面方面的潛力。
圖 軟致動器輔助周圍神經袖帶用于微創手術的植入和體內驗證
小結
將軟電化學致動器集成到薄膜生物電子學中，作者團隊制備了一種新型柔性且低壓驅動的神經袖，用于微創神經監測。利用傳統的微納加工技術，將精確圖案化的致動器元件和微電極陣列整合到一個結構中。這種柔性電子電極消除了對額外的笨重和剛性執行器以及伴隨的復雜控制系統的需求。形狀轉變是通過溶劑化陽離子響應施加電壓的可逆傳輸來實現的。為了確保它們在生物醫學情況下的安全使用，已將驅動所需的電壓大幅降低到非常低的值。雖然這可能會導致較低的致動力，但微米厚的薄膜結構允許理想的大致動應變。通過設計驅動元件的分布來演示不同的形狀轉換模式。沿長度具有對齊執行器的設備可以很容易地彎曲成螺旋狀，而不會產生來自垂直方向的額外應變。此外，可以通過打破結構對稱性來實現復雜的螺旋形狀。
動物試驗表明，致動器可以促進設備在神經周圍的自我纏繞，為可靠的信號記錄建立親密的接口。這種方法消除了傳統神經袖帶中常用的額外固定操作。與其他報道的依靠一次性變形機制的智能神經袖帶不同，該設備可以承受數百次在身體環境中反復折疊和展開的循環。這種彈性使外科醫生能夠微調接口以獲得最佳信號質量或定位特定的尖峰單元。保持神經袖帶的最小夾緊力對于避免對脆弱的神經造成傷害至關重要。通過精確的工程設計，袖帶電極以適當的半徑彎曲在有效記錄的親密接觸和防止神經壓迫之間取得平衡。在袖帶放置過程中，可以通過逐漸增加施加的電壓來慢慢減小彎曲半徑。此外，可以靈活地在任何時候暫停螺旋，以調整神經袖帶并觀察界面。此外，它可以輕松提取設備而不會對神經造成損害。
參考文獻：
Chaoqun Dong, Alejandro Carnicer-Lombarte, Filippo Bonafè, et al. Electrochemically actuated microelectrodes for minimally invasive peripheral nerve interfaces. Nat Mater. 2024 Apr 26.
https://www.nature.com/articles/s41563-024-01886-0
