電極陣列 再獲一篇Nature Nanotechnology！

【背景介紹】

活組織是具有粘彈性和塑性的非線性彈性材料。可植入式人造生物電子陣列主要依靠剛性或彈性封裝材料和韌性金屬的剛性薄膜，其可與大腦和心臟等組織相連接。然而，現有的器件是由與器官有顯著不同機械特性的材料制成。研究表明，最大限度地減少剛度匹配會減少對底層組織的損害，但目前沒有陣列表現出粘性行為。組織是粘彈性的，在施加應力的情況下發生永久變形。基質粘彈性對細胞擴散和分化的很重要，而粘彈性材料的流動和重塑能力將增強其對下表面的貼合性。當前的微陣列包含金屬薄膜圖案化的電極，不僅與生物組織的機械不匹配，而且在承受大應變時會斷裂。當納米材料分散在水凝膠中時，納米復合材料表現出比碳-彈性體或導電聚合物更低的機械模量。但是，碳-水凝膠復合材料是厘米級，對無溶劑方法的功能集成到微制造系統的討論有限。此外，碳納米材料的使用通常僅限于電極涂層，并且導電水凝膠和下面的金屬軌道之間的附著力很小。

【成果簡介】

近日，美國哈佛大學David J. Mooney（通訊作者）等人報道了一種由超軟粘彈性水凝膠基質負載導電碳納米材料構成的導電材料。基于該導電材料，作者設計了一種表面微電極陣列，代替了傳統的封裝和導電組件。該陣列通過使用水凝膠作為外層，克服了先前在匹配軟生物組織的剛度和松弛行為方面的局限性。同時，作者推出了一種基于水凝膠的導體，其由離子導電的海藻酸鈉基質制成，并用碳納米材料增強，即使在低負載率下也能提供電滲濾。作者將導電和絕緣粘彈性材料與自上而下的制造方法相結合，可以制造與標準電生理學平臺兼容的電極陣列。此外，作者還利用電絕緣粘彈性封裝層包圍磁道，制造了完全粘彈性陣列。這些粘彈性陣列塑性變形，以允許軟組織的復雜幾何形狀的構象。該陣列與心臟或大腦皮層的復雜表面緊密貼合，為記錄和刺激提供了有前途的生物工程應用。研究成果以題為“Viscoelastic surface electrode arrays to interface with viscoelastic tissues”發布在國際著名期刊Nature Nanotechnology上。

【圖文解讀】

圖一、海藻酸鹽水凝膠符合哺乳動物組織的粘彈性，并符合復雜的基材
（a）所提出的器件及其各種組件的示意圖；

（b）新鮮羔羊皮層組織和新鮮大鼠心臟組織的流變學特性；

（c）具有不同水平交聯劑的海藻酸鹽水凝膠的流變特性；

（d）塑料、彈性體和粘彈性基材的照片，調整厚度以使彎曲剛度具有可比性；

（e）對每種材料轉移染料的模型大腦區域的量化，作為基質和豬大腦模型之間直接接觸的度量。

（f）粘彈性和彈性基材的照片，在豬腦模型上和移除后立即。

圖二、海藻酸鹽水凝膠優化與星形膠質細胞、神經元和共培養的相容性
（a）120 h后，記錄接種在不同粘彈性和剛度的凝膠上的原代皮質星形膠質細胞的顯微照片，并與對照組進行比較；

（b）72 h后，記錄接種在具有不同粘彈性和剛度的RGD-藻酸鹽-基質膠IPNs上的原代皮層神經元的顯微照片；

（c）120 h后，記錄原代皮質星形膠質細胞和原代皮質神經元共培養物的顯微照片，神經元接種在具有不同粘彈性和剛度的RGD-藻酸鹽-基質膠IPNs上；

（d）120 h后，記錄接種在具有不同粘彈性和剛度的RGD-藻酸鹽-基質膠IPNs上的初級皮質星形膠質細胞和初級皮質神經元共培養的顯微照片。

圖三、藻酸鹽基質和電活性碳基填料形成的粘彈性電子器件
（a）nanoCGs和microCGs制備的示意圖；

（b）在柔性模具中鑄造軌道的照片，及其跟蹤新鮮羊腦血管的能力；

（c）比較無添加劑、僅GF、僅CNT以及GF+CNT的nanoCGs和microCGs的SEM照片；

（d-f）nanoCGs和microCGs電導率的量化，比較凝膠與僅GF、僅CNT和GF+CNT組合物隨碳濃度增加的變化；

（g）作為總碳（GF+CNT）成的函數的microCGs電導率的量化，用S形曲線擬合；

（h）GFs和CNTs對microCGs電導率的相對貢獻的圖形評估；

（i）SEM顯微照片比較了在不同濃度的僅CNT、僅GF和GF+CNT的混合濃度下的microCGs結構。

（i-k）使用納米壓痕分析對GF+CNT microCGs的儲能模量（G'; i）和損耗模量（G''; j）進行量化。

圖四、制備高柔性和可拉伸粘彈性封裝層
（a）構成器件封裝層的兩個獨立組件的示意圖；

（b）復合封裝層在張力下拉伸至原始長度的0、500和1000%的照片；

（c）在薄膜破裂的第一個點之前，封裝材料的應力（σ）與伸長率（λ）行為的量化；

（d）使用CO₂激光切割后的封裝層照片，以及暴露于激光后切割的明場顯微照片和SEM圖像。

圖五、全粘彈性器件的表征和體外驗證
（a）完全組裝陣列的照片，其中八個電極的直徑為700 μm，間距為1.5 mm，在PBS中平坦并彎曲；

（b）各種組織和導電復合材料的彈性模量、電導率和粘彈性的量化；

（c）來自五個不同批次的五個器件的電阻抗光譜數據；

（d）比較在PBS中老化84 d前后，四個陣列在1 kHz下的電極阻抗；

（e）粘彈性陣列的多軸機械循環，在11%等效雙軸應變下，繪制每個電極在1 kHz處的阻抗相對變化（ΔZ/Z）；

（f）在牛心臟上具有類似尺寸的粘彈性陣列的商用臨床網格的照片；

（g）商用網格和本工作中開發的粘彈性陣列的電極的循環伏安法。

圖六、不同變形下，用于刺激和記錄的全粘彈性器件的體內驗證
（a）在大鼠皮質表面組裝的粘彈性陣列的照片，貼合在大鼠心臟周圍并包裹在牛心臟神經周圍；

（b）從視頻中獲取的刺激小鼠后肢暴露肌肉的粘彈性陣列的照片；

（c）粘彈性陣列的示意圖，平坦且符合小鼠心臟的表面；

（d）粘彈性陣列的示意圖，幾乎360°包裹小鼠心臟表面并保持一致；

（e）放置在大鼠大腦皮層表面的粘彈性陣列示意圖；

（f）粘彈性陣列的示意圖，彎曲超過90°以到達大鼠大腦的聽覺皮層。

【小結】

綜上所述，作者報道了首個完全粘彈性電極陣列，其表現出與軟生物組織相似的力學特性。該陣列主要由水凝膠制備，而水凝膠具有高度可調的物理性質、粘彈性和剛度可以獨立變化。此外，表面陣列具有由高長徑比碳納米材料的低負載部分制成的新型導電體，因此它們保留了超軟模量和粘彈性性質。同時，在體內獲得了18的高信噪比值，能夠記錄低振幅局部場電位。此外，電極設計和陣列制造工藝簡便快速，并且不需要高溫、苛刻的化學蝕刻劑或薄膜光刻技術。由于碳添加劑的不同組成證明了CSC的可調諧性，因此可使用不同配方的組合來制造陣列，該陣列具有一些針對刺激更優化的軌跡和其他針對記錄更優化的軌跡。這種超軟技術可能會針對二維（2D）和三維（3D）微電極陣列的未來生物電子界面應用進行優化，并且還可以成為更好地了解器官在整個患病過程中如何發育、功能和變化的有用工具狀態。由于嚙齒動物的解剖結構較小，該陣列目前受到電極軌道寬度的限制，因此該技術將受益于可以放大特征的應用。這可以在不增加裝置的整體厚度，也不損害其粘彈性的情況下完成。

文獻鏈接：Viscoelastic surface electrode arrays to interface with viscoelastic tissues. Natrue Nanotechnology, 2021, DOI: 10.1038/s41565-021-00926-z.

本文由CQR編譯。

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