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)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2021-09-20
植入式微電極陣列通過揭示神經(jīng)元活動和功能連接，對理解大腦和神經(jīng)疾病做出了重要的貢獻(xiàn)。但由于腦組織微觀環(huán)境對微電極的特性極其敏感，使得植入式微電極的有效設(shè)計具有很強(qiáng)的挑戰(zhàn)性。為提供具有長期記錄穩(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現(xiàn)植入和精準(zhǔn)定位十分困難，面臨著簡化植入方式和穩(wěn)定接口界面二者之間相互制約的困境。
針對這一現(xiàn)狀，復(fù)旦大學(xué)高分子科學(xué)與新材料實驗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)椋罱K占據(jù)空間形成穩(wěn)定的界面。在如圖2所示界面的動態(tài)穩(wěn)定性測試中，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，從而提供了一個高度穩(wěn)定的神經(jīng)元信號記錄。
圖2 MFNP界面動態(tài)穩(wěn)定性測試 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)中實時監(jiān)測神經(jīng)元活動，由于導(dǎo)電CNTF的大小與神經(jīng)元大小相同，濕態(tài)MFNP能夠記錄單個單元信號。圖3a顯示了體內(nèi)記錄兩個單個單元的波形，由軟件確定的MFNP實時信噪比優(yōu)于大多數(shù)基于高分子材料的柔性神經(jīng)探針。為驗證探針的長期功能穩(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)性能和動態(tài)穩(wěn)定界面所保證的實時響應(yīng)。
圖3 MFNP體內(nèi)電生理信號記錄 a：單個單元波形圖 b：體內(nèi)四周信號記錄