供稿人：姚思琦 王玲 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2021-09-20
植入式微電極陣列通過揭示神經(jīng)元活動(dòng)和功能連接，對(duì)理解大腦和神經(jīng)疾病做出了重要的貢獻(xiàn)。但由于腦組織微觀環(huán)境對(duì)微電極的特性極其敏感，使得植入式微電極的有效設(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的挑戰(zhàn)性。為提供具有長(zhǎng)期記錄穩(wěn)定性的電子-腦界面，柔性神經(jīng)探針越來越多的用于植入式神經(jīng)記錄技術(shù)，然而柔性材料在軟組織中實(shí)現(xiàn)植入和精準(zhǔn)定位十分困難，面臨著簡(jiǎn)化植入方式和穩(wěn)定接口界面二者之間相互制約的困境。
針對(duì)這一現(xiàn)狀，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)與新材料實(shí)驗(yàn)室的孫雪梅等人提出一種具有可變彈性模量的微纖維狀神經(jīng)探針(MFNPs)，三層同軸核殼結(jié)構(gòu)的探針制備過程如圖1所示，以碳納米管纖維(CNTF)為核心電極，表面涂覆聚對(duì)二甲苯作為絕緣層，鈣離子交聯(lián)海藻酸鈉(SA)為彈性模量可變層。由于水分子的擴(kuò)散和含水環(huán)境中的聚合物鏈的松弛有助于SA的溶脹，可導(dǎo)致電極彈性模量和柔韌性的相應(yīng)改變，電極吸水后直徑從36μm變?yōu)榇蠹s190μm。
圖1 彈性模量可變MFNP的制備a：MFNP的典型制造方法 b：MFNP多層結(jié)構(gòu)原理圖 c：MFNP分層電鏡掃描 d：干態(tài)MFNP e：浸入人工腦脊液中的濕態(tài)MFNP f：濕態(tài)MFNP高倍放大
采用納米壓痕法研究了干式MFNP和濕式MFNP的力學(xué)差異，測(cè)得干態(tài)MFNP的有效壓痕彈性模量為，可以在沒有任何輔助材料的情況下不發(fā)生彎曲的植入瓊脂水凝膠中，植入后干態(tài)MFNP吸水膨脹變軟彈性模量變?yōu)?，最終占據(jù)空間形成穩(wěn)定的界面。在如圖2所示界面的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性測(cè)試中，與腦組織匹配的彈性模量確保了濕態(tài)MFNP和壓縮的腦組織之間的同步運(yùn)動(dòng)，從而提供了一個(gè)高度穩(wěn)定的神經(jīng)元信號(hào)記錄。
圖2 MFNP界面動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性測(cè)試 左側(cè)：植入MFNP的小鼠大腦壓縮前后顯微CT圖像 右側(cè)：輪廓提取線。
將干態(tài)MFNP植入成年小鼠的大腦皮質(zhì)中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)神經(jīng)元活動(dòng)，由于導(dǎo)電CNTF的大小與神經(jīng)元大小相同，濕態(tài)MFNP能夠記錄單個(gè)單元信號(hào)。圖3a顯示了體內(nèi)記錄兩個(gè)單個(gè)單元的波形，由軟件確定的MFNP實(shí)時(shí)信噪比優(yōu)于大多數(shù)基于高分子材料的柔性神經(jīng)探針。為驗(yàn)證探針的長(zhǎng)期功能穩(wěn)定性進(jìn)行如圖3b所示持續(xù)4周的神經(jīng)記錄，未發(fā)現(xiàn)明顯的性能退化，這種穩(wěn)定性可能來自于探針穩(wěn)定的電化學(xué)性能和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定界面所保證的實(shí)時(shí)響應(yīng)。
圖3 MFNP體內(nèi)電生理信號(hào)記錄 a：?jiǎn)蝹€(gè)單元波形圖 b：體內(nèi)四周信號(hào)記錄