AM|達特茅斯團隊:多功能彈性神經電子納米網格

美國達特茅斯學院方輝課題組開創性地提出了一種新型彈性神經電子學方法——基于多功能彈性納米網格（Nanomesh）的神經電子學。這項創新方法解決了傳統硅膠基彈性神經電子學存在的兩大限制：一是剛性金屬成分限制了設備的柔韌性，無法緊密貼合生物組織；二是傳統制備工藝難以實現高密度、高分辨率的微電極陣列。

研究團隊成功實現了細胞分辨率和高密度彈性微電極陣列，為開發下一代神經接口技術奠定了堅實基礎。這一研究成果已于2024年7月16日發表在頂尖國際學術期刊《Advanced Materials》上，在納米材料和神經科學領域引發關注（DOI: 10.1002/adma.202403141）

研究背景介紹

柔性神經電子學在神經科學、神經疾病治療以及可穿戴電子領域具有重要意義，神經活動的實時監測和精確控制是解決這一難題的關鍵所在。然而，傳統硅膠基彈性神經電子學存在兩大限制：一是剛性金屬成分限制了設備的柔韌性，無法緊密貼合生物組織；二是傳統制備工藝難以實現高密度、高分辨率的微電極陣列。本文提出了一種基于多功能納米網格的彈性神經電子學方法，通過利用傳統電極材料在聚二甲基硅氧烷 (PDMS)硅基上創建具有細胞分辨率的微電極，從而克服了傳統硅膠基彈性神經電子學的限制實現了高柔韌性、高導電性和高電化學活性的彈性微電極制備。

研究方法

這種多功能納米網格結構如圖 1 所示，由聚對二甲苯（Parylene-C）、金（Au）和聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸鹽)（PEDOT:PSS）三層材料組成。其中Parylene-C（厚度 100–500 nm）提供機械緩沖防止薄膜電子材料開裂，Au （厚度 20–100 nm）提供電傳導，PEDOT:PSS（厚度 25–107 nm）提供低阻抗電化學界面。制備流程主要包括：在 15 μm厚度的PDMS 基底上沉積 Parylene-C 薄膜。使用銦晶界光刻技術圖案化 Au 納米網格。沉積并圖案化 PEDOT:PSS 電極層。

圖1.多功能納米網格的示意圖

該納米網格結構設計使彈性微電極能夠達到細胞級記錄分辨率，并具有以下優點：

1.高柔韌性：納米網格結構賦予了彈性微電極良好的柔韌性，使其能夠貼合不規則的生物組織表面。

2.高導電性：Au 層確保了彈性微電極的低電阻率，提高了信號傳輸效率。

3.高電化學活性：PEDOT:PSS 層增強了彈性微電極與生物組織的電化學界面，提高了信號采集靈敏度。

圖2. 256 通道納米網格微陣列圖像（左）；微電極陣列的阻抗直方圖（中）；應變為 40% 的納米網彈性微電極的 SEM 圖像（右）

由于能夠實現細胞分辨率電極和縮放互連，團隊制備出多達 256 個納米網格彈性微電極的高密度陣列（圖2左）。已經報道過的 PDMS 或水凝膠基底上的微電極通常受到電極面積大和密度低的限制。相比之下，多功能納米網格方法使彈性神經電子學具有創紀錄的吞吐量和密度，達到與商用硅基密歇根陣列相當的水平，同時保持了細胞級電極部位面積（直徑小至 20 μm，或 314 μm?²）和低阻抗（圖2右）。這種低阻抗也與主流先進的神經電極相媲美；納米網彈性陣列（電極位置面積：20 × 20 μm?²）上所有 256 個神經電極的阻抗直方圖顯示，在 1 kHz 時平均阻抗為 200 kΩ的通道數占據總通道數90.6%。

圖3. 施加 5% 應變時納米網格的有限元分析（FEA）模擬結果

圖3所示模型由5 μm PDMS、300 nm 聚對二甲苯-C 和60 nm Au 組成，對PDMS 施加5%的應變，頂層金層的應變分布表明，納米網格圖案化金的局部變形明顯低于基底的整體變形。因此，納米網格電極在施加應變時會發生整體彈性變形，不會顯著改變其電極面積，因此也不會改變阻抗。

圖4. 32 通道納米網格彈性電極陣列在 30% 應變下的循環拉伸測試結果（左）在 57 °C 的 PBS（pH 7.4）中浸泡后，代表性彈性電極（N ?= 5）的平均和歸一化阻抗，電極部位面積為 314 μm 2，隨周數變化（右）

其次，PDMS 兼容性和設備彈性高度可靠，通過使陣列承受 30% 的應變長達100萬次循環得到驗證（圖4）。該機械測試表明沒有顯著的屈服或阻抗變化。實驗進一步對納米網格彈性電極（N= 5）進行了加速浸泡測試，浸泡在 0.01M濃度的磷酸鹽緩沖溶液 (PBS)（pH 為 7.4）中，溫度為 57 °C，浸泡測試時間為 4 周，相當于在 37 °C 下浸泡 16 周，假設加速老化系數 Q10 為 2（圖4）。在整個測試過程中，我們監測了阻抗，發現其變化很小，顯微鏡檢查未發現任何薄膜分層的情況。研究還驗證了 Parylene-C&PDMS 和 Parylene-C&金屬界面的可靠性。將樣品在 30% 應變下浸入 57 °C 的 PBS 溶液中一段時間??后測量阻抗。在 57°C 的 7 天浸泡期內，阻抗保持穩定，基于加速老化因子 (Q10) 為 2，相當于在 37°C 下浸泡 28 天。在這些測試期間，我們觀察到阻抗變化可以忽略不計，顯微鏡檢查時未發現任何薄膜分層的情況，這些對電極縮放的研究強調了納米網格彈性電極的可預測性能，從而可以輕松實現不同神經接口應用的生物電子設計。

研究結果

實驗團隊成功實現了對小鼠背根神經節L4 Dorsal Root Ganglion（DRG）硬膜外表面單神經元動作電位的記錄（如圖5），證明了納米網格彈性神經電子在微創神經接口應用中的潛力。

圖5. 體內實驗示意圖（左）；暴露后的DRG圖像（中）；使用相同設計的 64 通道納米網格彈性電極陣列（右上）和 64 通道 Kapton 陣列（右下）

該研究的另一個重點是研究電極尺寸與單神經元記錄性能之間的關系（圖6）。傳統觀點認為，在腦電記錄中，小于 20 微米的電極可以用于單個細胞活動檢測。然而，對于彎曲表面（如小鼠 L4 DRG）的電極尺寸影響的研究還比較缺乏。為了解決這個問題，研究者們植入了帶有四種不同電極尺寸（20-400 微米）的 16 通道納米網格，并在小鼠 L4 DRG 表面記錄了電生理信號。研究結果顯示，所有尺寸的電極都能夠捕獲誘發出的多單位活動和復合動作電位。

圖6. 帶有四種不同的電極尺寸的 16 通道納米網格彈性電極陣列植入小鼠 L4 DRG 硬膜外表面（左上）以及 16 通道陣列的布局示意圖（右上）來自每種尺寸的彈性電極的代表性多單元波段信號和排序波形（左下）；由電刺激引起的復合動作電位的 Aβ 和 Aδ 分量的疊加，由四種不同尺寸的彈性電極記錄（右下）

取得結論如下：

1.高密度彈性納米網格展現出優異的柔順性和記錄能力，成功記錄了單細胞動作電位，揭示了硬膜外DRG表面神經元活動的時空動態。這種微電極能夠有效捕捉亞毫秒級的動作電位動態，為研究神經活動提供了高分辨率的數據（圖7）。

2.揭示了 LFP(Local field potential) 功率與尖峰放電之間的關系：發現LFP 功率與尖峰放電率呈正相關，表明 LFP 數據可以用于預測神經元活動。

3.通過分析不同尺寸電極記錄到的信號數據，研究者們繪制了峰值信噪比 (SSNR)、信號幅度和噪聲幅度與微電極直徑之間的關系圖。結果表明，直徑小于 40 微米的電極表現最佳，擁有最高的峰值信噪比和最可靠的峰值分類結果。這與神經生物學相一致，因為 DRG 神經元的細胞體大小不一。電極尺寸與細胞尺寸相近可以確保電極靠近目標神經元，避免使用較大電極導致的信號平均效應。由于小鼠 L4 DRG 區域的細胞密度約為 170-350 細胞/平方毫米，研究者們認為電極密度與細胞密度相當的陣列將進一步改善對 DRG 表面電生理時空動態的研究。

圖7. ?使用 64 通道納米網格彈性電極陣列從 DRG 表面映射的平均單元波形，展示了高產量和高保真度的單元記錄（左）從 64 通道納米網格彈性電極陣列映射的尖峰發放率（右上）和 LFP（右下）

研究結果分析

研究人員采用雙層納米網格結構，在PDMS基底上制備出細胞分辨率的彈性微電極陣列。在小鼠背根神經節的單細胞記錄中，該彈性神經電子設備在信噪比、頻帶寬度和完整波形捕獲方面均優于傳統塑料基彈性神經電子學設備。此外，研究者還通過循環拉伸測試和加速浸泡測試驗證明了納米網格結構對提高彈性設備的延展性和可靠性的積極作用。

圖8. ?納米網格電極陣列比基于 Kapton制備的陣列電極對DRG 表面自適形性高（左示意圖）；使用納米網格電極和 Kapton 電極從 DRG 表面記錄的代表性寬帶信號（右）

圖9. ?納米網格電極記錄的 PSTH 分析（上）；；同一電極記錄數據的 LFP 波段功率（1-500 Hz），顯示動作電位和 LFP 之間存在很強的正相關性。

與需要施加外力的硬性Kapton陣列相比（圖8），彈性納米網格陣列具有多種優勢：

a.優異的貼合性：納米網格陣列可以無縫貼合彎曲的 DRG 表面，實現穩定和緊密接觸。這一特性避免了固態陣列與神經組織接觸不良導致的信號損失。

b.高保真記錄：納米網格陣列可以在大范圍的 L4 DRG 表面上捕獲高質量的神經信號，避免了固態陣列運動偽影的干擾（圖8）。這種陣列可以有效記錄神經元放電和局部場電位，為研究神經元活動提供準確的數據。

c.時空響應：納米網格陣列能夠揭示整個 DRG 的時空分辨響應（圖9），通過記錄由后腿爪機械刺激引起的神經元放電和局部場電位 (LFP)，有助于研究神經元在不同時間和位置的活動規律。

d.機械敏感傳入神經纖維反應：該陣列可以檢測 DRG 中各種機械敏感傳入神經纖維的反應，包括編碼疼痛信號的傷害感受器。這對于研究疼痛機制、疼痛管理和神經疾病治療具有重要意義。

e.周圍致敏：納米網陣列還可以檢測強烈的刺激導致的一些神經元周圍致敏現象，即刺激結束后神經元持續放電。

結論（啟發展望）

多功能彈性納米網格（“Nanomesh”）不僅在傳統的神經電極材料和薄膜制備工藝方面具有高度可靠性，而且具有出色的可擴展性。它通過循環拉伸測試和嚴格的加速浸泡測試得到驗證，表現出卓越的順應性和記錄能力。研究還建立了電極尺寸與 DRG 表面單單位記錄性能之間穩健的關系，強調了細胞級電極的重要性。這種納米網格能夠有效地記錄單單位動作電位并揭示硬腦膜外 DRG 表面神經活動的時空動態，體現出其在神經接口應用方面潛在的價值。

總體而言，這種多功能彈性納米網格有效地實現細胞級分辨率的神經信號采集,為生物電子學和彈性神經電子學開辟了廣闊前景，具有出色的可擴展性，并展示了與軟性和非平坦表面的電活性細胞和組織有效接口的潛力。通過解決神經界面基礎問題，納米網格彈性神經電子學有望推動對感覺神經編碼群體神經動力學的理解，為臨床應用提供更準確的數據，并為開發下一代假肢和閉環神經刺激器開辟新途徑。

關于實驗團隊：

達特茅斯學院多功能集成神經電子實驗室(MINE Lab)致力于納米材料與神經界面創新研究，為解決神經電子領域面臨的重大挑戰提供可擴展、多功能的解決方案。團隊研究領域跨越多學科，研究方向包括神經接口、電子材料和電活性有機體。側重開發可擴展的神經接口設備，以促進人機交互和生物醫學的進步。

關鍵性文獻

1.P. Lacour,?G. Courtine,?J. Guck,?Nat. Rev. Mater.2016,?1, 16063.

2.A. Rogers,?T. Someya,?Y. Huang,?Science.2010,?327,?1603.

3.Jiang,?N. Chen,?Z. Yi,?J. Zhong,?F. Zhang,?S. Ji,?R. Liao,?Y. Wang,?H. Li,?Z. Liu,?Nat. Electron.2022,?5,?784.

Reference：?https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202403141（DOI: 10.1002/adma.202403141）

供稿人：TY Bai