最新Adv. Mater.：4D打印柔軟和可伸縮電極用于神經接口

【導讀】

眾所周知，周圍神經接口（PNI）是一種很有前途的醫學工具，可以通過刺激神經來引起身體的特定反應。同時，PNI可以通過記錄電位來讀取感覺或運動信號，在治療肥胖、糖尿病等各種疾病方面，具有極高的臨床應用潛力。此外，預計未來將有更多的疾病和健康狀況成為以PNI為基礎的治療方法。目前的臨床應用針對的是身體較大的神經，通常在毫米范圍內。這種神經由許多軸突組成，目前要將特定的纖維與其他纖維隔離是一個挑戰。另一方面，小神經在目標組織附近通常包含較少的軸突。因此，通過連接小神經，可以增加刺激和記錄的選擇性。然而，這些神經的直徑通常只有十分之幾到數百μm，這就需要使用相應的小尺寸的電極。同時，小電極的發展增加了對其設計和植入的挑戰。針對PNI已經開發了不同的電極設計，比如神經內電極被插入到神經中，獲得了良好的刺激和記錄的空間選擇性，但它們在插入期間穿透神經組織，神經內電極會產生神經損傷。

【成果掠影】

在此，為了提高電極的處理和植入程度，德國慕尼黑工業大學Bernhard Wolfrum教授（通訊作者）研發了一個神經接口，其能夠折疊成一個小神經周圍的袖套，由插入過程中的身體水分觸發。具體來說，作者通過打印雙層柔性聚氨酯，來打印樹脂和高膨脹的丙烯酸鈉水凝膠來實現這種折疊。當浸入在水溶液中時，水凝膠膨脹使得電極輕輕地被折疊在神經周圍。同時，由于使用柔軟和可拉伸的印刷樹脂作為襯底，微裂紋金膜作為導電層，電極是堅固的，能夠拉伸（> 20%），并能夠彎曲以促進植入。進一步研究表明，本文提出的電極的直接植入和提取展現了對小周圍神經的刺激和記錄能力，這也為簡單而堅固的用于PNI的自折疊電極進入更廣泛的臨床應用鋪平道路。

相關研究成果以“4D printed soft and stretchable self-folding cuff electrodes for small-nerve interfacing”為題發表在Adv. Mater.上。

【核心創新點】

1.本文開發了一種4D打印電極，用于急性小周圍神經接口，其結構允許其在插入過程中自折疊成神經袖帶；

2.其特點在于，它是一種定制的水凝膠材料，當與水接觸時膨脹，并在設備插入后作為驅動設備。最重要的是，電極能夠直接提取，而不損傷神經。

【數據概覽】

圖1、4D打印自折疊電極??The Authors

（a）從接觸墊到連接到神經上的可折疊尖端的整個袖帶電極的示意圖；

（b）電極尖端的側視圖示意圖，顯示了在不同的折疊步驟中各層的變化；

（c）袖帶電極的透視圖；

（d）用不同層厚度研發的袖帶電極的橫向圖；

（e，f）電極浸泡在水中后尖端折疊的頂部和橫向視圖；

（g）電極纏繞導線并在拉開時打開，同時測量需要打開的力；

（h）手指暴露在水中時可以從上到下折疊；

（i）具有2、4和6個電極的設備。

圖2、電極的拉伸性??The Authors

（a）在拉伸高達20%的過程中，粗糙結構電極的電導率；

（b，c）在線方向上延伸20%的代表性亮場圖像。

圖3、PBS中活性電極的電化學表征??The Authors

（a）PBS中電極阻抗的Bode圖；

（b）在50 mV^-1掃描下，n=16的電極的CV曲線；

（c）由0.9 mA雙相刺激脈沖產生的代表性電壓瞬態；

（d）n=16的電極的電荷注入密度。

圖4、蝗蟲N5與四維袖帶電極的接口??The Authors

（a）蝗蟲的中胸腔；

（b）由神經刺激引起的后腿的運動；

（c）超過10個刺激脈沖的腿部運動；

（d）未展開的袖帶電極被放置在神經的旁邊；

（e）在與電解質接觸時，高吸收性聚合物膨脹導致底物折疊并隨后包裹在神經周圍；

（f）在完全折疊后，金電極與神經接觸，可用于記錄和刺激；

（g-i）通過調整打印參數，可以調整電極的展開力，從而使電極從蝗蟲身上脫落而不破壞神經。

圖5、用6通道袖帶電極對N5自發活動的電生理記錄??The Authors

（a）一分鐘活動記錄，其中較大的峰值對應腿的運動；

（b）一個從神經節到腿部（傳出）的運動信號；

（c）一個從腿部到神經節（傳入）的感覺信號。

圖6、電極的制作工藝示意圖??The Authors

（a）首先，通過商業化3D打印機的粗糙玻片，以繪制襯底的第一層；

（b）洗掉未固化的柔性樹脂后，將高吸水性樹脂應用在固化的柔性樹脂上，再次暴露，然后洗掉；

（c）打印的雙層結構從載玻片上剝離并翻轉；

（d）導電金層被濺射到這個表面，并用納秒脈沖紫外激光形成圖案；

（e）采用旋轉涂層鈍化柔性樹脂；

（f）被手工切割成最終的形狀。

【成果啟示】

綜上所述，本文報道了一種PNI的3D打印電極，當在手術過程中暴露于水中時，它可以折疊成小的周圍神經（100-200μm）周圍的袖帶。結果表明，用于制造的材料使電極堅固耐用，易于處理。同時，與其他設備相比，觸發的自折疊機制極大地促進了外科醫生的接口操作，這種簡單的處理是將PNI引入更廣泛的臨床應用的關鍵。最后，作者證明了該電極可以可靠地刺激小神經，并對它們進行電生理記錄。

文獻鏈接：“4D printed soft and stretchable self-folding cuff electrodes for small-nerve interfacing”（Adv. Mater.，2023，10.1002/adma.202210206）

本文由材料人CYM編譯供稿。