用于微小神經(jīng)接口的4D打印柔性可拉伸自折疊

供稿人：李晨、賀健康
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　
來(lái)源：中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)（3D打�,。┓謺�(huì)

外周神經(jīng)接口（PNI）是一種很有發(fā)展前景的醫(yī)學(xué)工具,，它可以通過(guò)刺激神經(jīng)來(lái)引發(fā)體內(nèi)的特定反應(yīng)。同時(shí),，PNI可用于通過(guò)復(fù)合動(dòng)作電位的電信號(hào)來(lái)讀取感覺(jué)或運(yùn)動(dòng)信號(hào),。目前的臨床應(yīng)用以身體較大的神經(jīng)為目標(biāo)，通常在毫米范圍內(nèi),。這種神經(jīng)包括許多軸突,，目前將特定纖維與其他纖維隔離開(kāi)來(lái)是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。另一方面,，在目標(biāo)組織附近發(fā)現(xiàn)小神經(jīng),，通常包含較少的軸突。因此,，可以通過(guò)連接小神經(jīng)來(lái)增加刺激和記錄的選擇性,。然而，這些神經(jīng)的直徑通常為十分之幾到數(shù)百微米,，這需要使用相應(yīng)的小尺寸電極,。然而，小尺寸電極的設(shè)計(jì)和植入增加了其應(yīng)用的難度,。

針對(duì)上述問(wèn)題,，慕尼黑工業(yè)大學(xué)醫(yī)學(xué)工程學(xué)院的研究人員提出了一種用于極小周?chē)�神�?jīng)接口的4D打印電極，該電極的結(jié)構(gòu)可使其在植入過(guò)程中自行折疊到神經(jīng)套上,。該電極采用了一種定制的水凝膠材料,，當(dāng)與水接觸時(shí)會(huì)膨脹，并在插入設(shè)備后作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),。該電極植入過(guò)程易于操作,，并具有內(nèi)在的可拉伸性，適用于對(duì)此特性有需求的不同應(yīng)用場(chǎng)景,。研究人員驗(yàn)證了微小神經(jīng)（≈150μm）在體內(nèi)的可靠接口以及神經(jīng)信號(hào)的成功刺激和記錄,。此外，研究結(jié)果還表明,，電極可以直接取出,，不會(huì)損傷神經(jīng)。

為了簡(jiǎn)化袖帶電極在微小神經(jīng)上接合的步驟,，研究人員設(shè)計(jì)了一種雙層結(jié)構(gòu),，可以利用吸水性水凝膠材料的溶脹屬性。與體液等液體的接觸會(huì)觸發(fā)自折疊機(jī)制,，導(dǎo)致袖套電極包裹神經(jīng)(圖1a,，b),。該電極由非溶脹柔性材料和高溶脹比水凝膠組成，在立體光固化3D打印機(jī)中使用正面光固化（FPP）打印這兩層結(jié)構(gòu),。使用市售的柔性聚氨酯光固化印刷樹(shù)脂（柔性樹(shù)脂）印刷非溶脹層,。該結(jié)構(gòu)與水接觸時(shí)，高溶脹比樹(shù)脂材料膨脹并施加力,，使由柔性樹(shù)脂形成的內(nèi)層彎曲和折疊,。與其他可打印的水凝膠相比，該樹(shù)脂材料具有在幾乎干燥的狀態(tài)下可圖案化的優(yōu)點(diǎn),，顯示出高溶脹率并在變形過(guò)程中施加足夠的力,。這些形變使微小PNI(100-200μm)能夠達(dá)到所需的折疊直徑(圖1c-g)。最后,，在自折疊基板的頂部噴射導(dǎo)電Ti/Au層,，使金屬位于袖套電極的內(nèi)表面，并對(duì)其進(jìn)行激光圖案化,，形成寬度為100μm的饋線,。通過(guò)旋涂一層柔性樹(shù)脂直到袖帶電極的折疊尖端來(lái)鈍化饋線，用這種方式制造鈍化后的帶有兩個(gè),、四個(gè)和六個(gè)電極器件(圖1i),。

圖 1 4D打印自折疊電極示意圖。(a)從接觸墊到連接到神經(jīng)的可折疊尖端的整個(gè)袖帶電極的示意圖,。(b)電極尖端的示意性特寫(xiě)側(cè)視圖,，顯示了在折疊的不同步驟中層的變化。(c)袖帶電極的透視圖,，通過(guò)在水中折疊過(guò)程中疊加多個(gè)圖像獲得,。(d)用不同層厚度制造的袖帶電極的側(cè)視圖。 (e,f)雙電極裝置的尖端在浸入水中后從左到右折疊的俯視圖和側(cè)視圖,。(g)在測(cè)量打開(kāi)所需的力時(shí),，電極纏繞在電線上并在拔下時(shí)打開(kāi)。(h)暴露在水中的情況下,，手上的手指從上到下折疊,，有兩種不同的設(shè)計(jì)。(i) 具有兩個(gè),、四個(gè)和六個(gè)電極的設(shè)備,。

研究人員連接了蝗蟲(chóng)的神經(jīng)，以驗(yàn)證4D袖套電極的體內(nèi)性能,。神經(jīng)5（N5）從蝗蟲(chóng)的后胸神經(jīng)節(jié)中露出,，支配蝗蟲(chóng)的后腿。它包括許多傳入和傳出神經(jīng)纖維,，包括負(fù)責(zé)跳躍的神經(jīng)纖維(圖2a),。它是一條直徑≈150-200μm的小神經(jīng),，后胸腔內(nèi)的接口長(zhǎng)度通常僅限于幾毫米,。這些小尺寸使蝗蟲(chóng)神經(jīng)成為在有限空間內(nèi)顯示小周?chē)�神�?jīng)接口的絕佳模型,。該研究的可折疊袖帶電極只需要靠近神經(jīng)，在與水接觸20到30秒后便可將其包裹起來(lái)(圖2d-f),。當(dāng)袖帶被更有力地拉動(dòng)時(shí),，它可以再次展開(kāi)。利用這一特性,，在每次實(shí)驗(yàn)后,，只需輕輕地將袖帶電極拔下，即可將其與神經(jīng)分離(圖2g-i),。

圖 2 蝗蟲(chóng)神經(jīng)與4D袖套電極的接口,。(a)蝗蟲(chóng)的后胸腔，暴露出后胸神經(jīng)節(jié)和神經(jīng),。(b)神經(jīng)刺激引起的后腿運(yùn)動(dòng),。(c)超過(guò)10個(gè)刺激脈沖的腿部角度。(d-f)電極插入順序,。將展開(kāi)的袖帶電極放置在神經(jīng)旁邊,。在與電解質(zhì)接觸時(shí)，超吸收性聚合物溶脹,，導(dǎo)致基底折疊并隨后包裹神經(jīng),。在完全折疊之后，Au電極與神經(jīng)接觸,，并且可以用于記錄和刺激,。(g-i)通過(guò)調(diào)整打印參數(shù)，可以調(diào)整電極的打開(kāi)力,，將電極從蝗蟲(chóng)上拔下,，而不會(huì)使神經(jīng)斷裂。只需通過(guò)饋線即可拉動(dòng)電極,。袖套打開(kāi)并釋放神經(jīng),，之后迅速回到閉合位置。

盡管該方法已經(jīng)證明該4D打印柔性電極可以極大地簡(jiǎn)化了外科醫(yī)生的神經(jīng)接口操作,，并記錄了次級(jí)微小神經(jīng)產(chǎn)生的電生理信號(hào),。但用于制造電極的柔性樹(shù)脂材料的生物相容性未得到廣泛測(cè)試，該柔性樹(shù)脂材料能否在體內(nèi)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)尚未得到證明,。在未來(lái),，可以通過(guò)對(duì)小型哺乳動(dòng)物體內(nèi)植入該柔性可折疊電極進(jìn)行長(zhǎng)期生物相容性分析，包括評(píng)估異物反應(yīng)和材料穩(wěn)定性,。

參考文獻(xiàn)：
Hiendlmeier, L., Zurita, F., Vogel, J., Del Duca, F., Al Boustani, G., Peng, H., Kopic, I., Nikić, M., F. Teshima, T., Wolfrum, B., 4D-Printed Soft and Stretchable Self-Folding Cuff Electrodes for Small-Nerve Interfacing. Adv. Mater. 2023, 35, 2210206.https://doi.org/10.1002/adma.202210206