Nature子刊：3D打印用于神經肌肉接口的柔性電子植入器件

來源： EngineeringForLife

神經接口可以建立生物系統(tǒng)與電子設備之間的通信，是將生物電子學技術轉化為臨床應用的必要條件。通過神經接口相關技術可用于恢復損傷或丟失的生理功能，其中的主要挑戰(zhàn)是神經植入物對神經環(huán)境的機械和解剖學適應性。彈性材料、機械自適應薄膜和纖維等材料被加入神經植入物并不斷改進，較好地實現了植入物與目標的通信及其彈性與神經系統(tǒng)周圍組織的匹配，但目前的技術仍不支持快速生產個性化定制的植入物，針對不同臨床需求的產品往往成本高昂、制造緩慢，使醫(yī)生難以針對性地設計最佳治療方案。

近期，來自德國德累斯頓理工大學的Ivan R. Minev和俄羅斯圣彼得堡國立大學的Pavel Musienko的團隊在Nature Biomedical Engineering雜志上發(fā)表了題為“Rapid prototyping of soft bioelectronic implants for use as neuromuscular interfaces”的文章，展示了一種利用軟復合材料制造生物電極陣列的技術，可以快速成型連接神經肌肉系統(tǒng)的軟電極植入物。

研究人員使用具有彈性和生物相容性的材料進行多材料打印，制造電極陣列。通過擠壓、噴墨和等離子表面活化來處理不同性質的材料，且電極數量和配置的可迭代設計保證了電極陣列的可定制性。

絕緣基體由具有剪切變稀效應的硅膠擠出而成，控制電極陣列的整體幾何形狀、組織接觸位置和互連路徑。基體處理后可通過噴墨打印沉積電氣導管。

圖1 用于連接神經肌肉系統(tǒng)的軟電極植入物的快速成型

研究者開發(fā)了一種打印油墨，將鉑微粒（直徑0.2–1.8μm）懸浮在粘性溶劑三乙二醇單甲醚（TGME）中，蒸發(fā)生成所需導電體形狀的壓實鉑砂。柔性金屬線連接到接觸墊上并擠壓導電膏形成與外部電子設備的接口。最后通過低粘度的PDMS形成結構的密封。

相比其他方法要先混合導電體和彈性體再打印，這一方法的優(yōu)點是PDMS的低表面張力可滲透到鉑砂顆粒間的空隙中，原位形成復合材料。在PDMS注入前，鉑砂中的導電粒子已經形成滲透網絡。最終這一原位復合材料可以在介觀尺度下以任意平面布局打印。

圖2 平面電極陣列的印刷和機械性能

在力學性能上，硅膠和復合材料共同保證電極陣列與軟組織（如硬腦膜、周圍神經或肌肉）有著相似的應力-應變行為（在彈性變形的生理范圍內）。在電化學上，神經打印電極的性質與尺寸相似的鉑神經電極一致。機械彈性和電化學穩(wěn)定性使神經打印電極適用于需要電刺激的軟組織。

這一制造手段還能減少材料浪費并拓展材料，導電砂以高精度沉積在需要導電性的地方，有助于在生物相容性的限制下使用相對昂貴的金屬。還可以引入水凝膠或導電聚合物來提高生物整合性。而簡單的電極結構保證了較小時間成本的個性化定制。

圖3 機電性能

隨后研究人員利用這一神經打印電極進行動物實驗，包括運動障礙動物脊髓運動系統(tǒng)的激活、橫紋肌和平滑肌的記錄以及感覺運動和內臟網絡的連接。

脊髓電刺激（SCS）是實驗和臨床神經康復的高效方法，與傳統(tǒng)的金屬絲相比，神經印肌內電極在步進活動期間表現出類似質量的肌電圖（EMG）信號，對于脊髓損傷后的時空神經調節(jié)治療至關重要。

圖4 使用神經打印技術對運動電路的神經調節(jié)

研究者將刺激性神經印電極包裹在貓坐骨神經的一段區(qū)域（在臀部的近端）并記錄電刺激電位（ESG）和肌電圖活動，實驗表明使用分布式神經印電極對誘發(fā)電位進行多節(jié)點監(jiān)測，可以在系統(tǒng)水平上激活神經肌肉。此外針對貓膀胱的平滑逼尿肌和斑馬魚背部肌肉的植入電極實驗證明了這一技術可以用于其他生理系統(tǒng)和動物模型。

圖5 神經肌肉系統(tǒng)的多節(jié)點激活和監(jiān)測

在大鼠模型中，研究人員測試了神經電極的長期生物相容性和功能穩(wěn)定性，在神經系統(tǒng)最精細的解剖部位之一的脊椎中植入電極。在術后8周的評估中植入組與對照組的大鼠在組織學和行為數據上沒有顯著差異。表明了神經電極的生物整合水平較高，相對于靶向脊髓通路的位置穩(wěn)定。

圖6 神經印電極陣列的生物整合

圖7 神經印電極陣列的功能穩(wěn)定性

總的來說，這種混合打印技術可以制造用于監(jiān)控和啟用神經系統(tǒng)功能狀態(tài)的接口，通過幾何結構適應性和彈性可應用于各種神經結構和模型。不同的電極配置可以刺激并記錄大腦、脊髓和周圍神經以及橫紋肌和平滑肌的生物電位。

在未來的應用中，神經植入物的穩(wěn)定性能在神經假體、電生理學和腦機接口中有著潛在的應用價值。而其方便的制造手段也為生物電子醫(yī)療設備的靈活個性化定制提供了幫助。

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https://doi.org/10.1038/s41551-020-00615-7