最新Adv. Mater.：4D打印柔软和可伸缩电极用于神经接口

【导读】

众所周知，周围神经接口（PNI）是一种很有前途的医学工具，可以通过刺激神经来引起身体的特定反应。同时，PNI可以通过记录电位来读取感觉或运动信号，在治疗肥胖、糖尿病等各种疾病方面，具有极高的临床应用潜力。此外，预计未来将有更多的疾病和健康状况成为以PNI为基础的治疗方法。目前的临床应用针对的是身体较大的神经，通常在毫米范围内。这种神经由许多轴突组成，目前要将特定的纤维与其他纤维隔离是一个挑战。另一方面，小神经在目标组织附近通常包含较少的轴突。因此，通过连接小神经，可以增加刺激和记录的选择性。然而，这些神经的直径通常只有十分之几到数百µm，这就需要使用相应的小尺寸的电极。同时，小电极的发展增加了对其设计和植入的挑战。针对PNI已经开发了不同的电极设计，比如神经内电极被插入到神经中，获得了良好的刺激和记录的空间选择性，但它们在插入期间穿透神经组织，神经内电极会产生神经损伤。

【成果掠影】

在此，为了提高电极的处理和植入程度，德国慕尼黑工业大学Bernhard Wolfrum教授（通讯作者）研发了一个神经接口，其能够折叠成一个小神经周围的袖套，由插入过程中的身体水分触发。具体来说，作者通过打印双层柔性聚氨酯，来打印树脂和高膨胀的丙烯酸钠水凝胶来实现这种折叠。当浸入在水溶液中时，水凝胶膨胀使得电极轻轻地被折叠在神经周围。同时，由于使用柔软和可拉伸的印刷树脂作为衬底，微裂纹金膜作为导电层，电极是坚固的，能够拉伸（> 20%），并能够弯曲以促进植入。进一步研究表明，本文提出的电极的直接植入和提取展现了对小周围神经的刺激和记录能力，这也为简单而坚固的用于PNI的自折叠电极进入更广泛的临床应用铺平道路。

相关研究成果以“4D printed soft and stretchable self-folding cuff electrodes for small-nerve interfacing”为题发表在Adv. Mater.上。

【核心创新点】

1.本文开发了一种4D打印电极，用于急性小周围神经接口，其结构允许其在插入过程中自折叠成神经袖带；

2.其特点在于，它是一种定制的水凝胶材料，当与水接触时膨胀，并在设备插入后作为驱动设备。最重要的是，电极能够直接提取，而不损伤神经。

【数据概览】

图1、4D打印自折叠电极© The Authors

（a）从接触垫到连接到神经上的可折叠尖端的整个袖带电极的示意图；

（b）电极尖端的侧视图示意图，显示了在不同的折叠步骤中各层的变化；

（c）袖带电极的透视图；

（d）用不同层厚度研发的袖带电极的横向图；

（e，f）电极浸泡在水中后尖端折叠的顶部和横向视图；

（g）电极缠绕导线并在拉开时打开，同时测量需要打开的力；

（h）手指暴露在水中时可以从上到下折叠；

（i）具有2、4和6个电极的设备。

图2、电极的拉伸性© The Authors

（a）在拉伸高达20%的过程中，粗糙结构电极的电导率；

（b，c）在线方向上延伸20%的代表性亮场图像。

图3、PBS中活性电极的电化学表征© The Authors

（a）PBS中电极阻抗的Bode图；

（b）在50 mV^-1扫描下，n=16的电极的CV曲线；

（c）由0.9 mA双相刺激脉冲产生的代表性电压瞬态；

（d）n=16的电极的电荷注入密度。

图4、蝗虫N5与四维袖带电极的接口© The Authors

（a）蝗虫的中胸腔；

（b）由神经刺激引起的后腿的运动；

（c）超过10个刺激脉冲的腿部运动；

（d）未展开的袖带电极被放置在神经的旁边；

（e）在与电解质接触时，高吸收性聚合物膨胀导致底物折叠并随后包裹在神经周围；

（f）在完全折叠后，金电极与神经接触，可用于记录和刺激；

（g-i）通过调整打印参数，可以调整电极的展开力，从而使电极从蝗虫身上脱落而不破坏神经。

图5、用6通道袖带电极对N5自发活动的电生理记录© The Authors

（a）一分钟活动记录，其中较大的峰值对应腿的运动；

（b）一个从神经节到腿部（传出）的运动信号；

（c）一个从腿部到神经节（传入）的感觉信号。

图6、电极的制作工艺示意图© The Authors

（a）首先，通过商业化3D打印机的粗糙玻片，以绘制衬底的第一层；

（b）洗掉未固化的柔性树脂后，将高吸水性树脂应用在固化的柔性树脂上，再次暴露，然后洗掉；

（c）打印的双层结构从载玻片上剥离并翻转；

（d）导电金层被溅射到这个表面，并用纳秒脉冲紫外激光形成图案；

（e）采用旋转涂层钝化柔性树脂；

（f）被手工切割成最终的形状。

【成果启示】

综上所述，本文报道了一种PNI的3D打印电极，当在手术过程中暴露于水中时，它可以折叠成小的周围神经（100-200µm）周围的袖带。结果表明，用于制造的材料使电极坚固耐用，易于处理。同时，与其他设备相比，触发的自折叠机制极大地促进了外科医生的接口操作，这种简单的处理是将PNI引入更广泛的临床应用的关键。最后，作者证明了该电极可以可靠地刺激小神经，并对它们进行电生理记录。

文献链接：“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编译供稿。