來自英國劍橋大學的George G.Malliaras團隊利用軟機器人致動器和柔性電子器件的最新進展，開發出了高度保形的神經袖帶，它將電化學驅動的導電聚合物軟致動器與低阻抗微電極結合在一起。這些袖套在小至幾百毫伏的外加電壓驅動下，可以主動抓取或包裹脆弱的神經。本研究利用體內大鼠模型對這項技術進行了驗證，結果表明，這種袖套無需使用手術縫合線或膠水，就能與大鼠坐骨神經形成并保持自閉合和可靠的生物電子界面。這種軟電化學致動器與神經技術的無縫整合為實現術中微創神經活動監測和高質量生物電子接口提供了一條途徑。相關工作以題為“Electrochemically actuated microelectrodes for minimally invasive peripheral nerve interfaces”的文章發表在2024年04月26日的國際頂級期刊《Nature Materials》。

設計

本研究開發了軟機器人、薄膜生物電子外周神經袖帶，它集成了數十個分布式高分辨率微電極和基于導電聚合物的雙層致動器，可通過可編程的電子輸入進行控制。

本研究的軟機器人外周神經袖帶由微圖案致動元件組成，可按需進行形狀變形，周圍是分布式電生理學電極。圖1a展示了兩幅插圖：一幅描繪了輕柔地握住神經的過程，而另一幅則展示了圍繞神經的螺旋纏繞。后一種方法能夠適應不同直徑的神經，避免了傳統袖帶因電極-神經束排列不整齊而經常出現的通信問題。致動器本質上是電子元件，與微電極陣列采用相同的光刻制造工藝。這種無縫集成為設計致動器的形狀和分布留出了空間，以滿足定制的形狀變化需求。

例如，致動器元件的垂直排列最大限度地減少了向垂直方向的彎曲，只允許沿著電極的排列方向進行大的彎曲，可實現的彎曲半徑小至170微米（圖1b）。值得注意的是，通過設計致動器元件的非對稱分布實現了螺旋包裹神經袖帶。

如圖1c所示，傾斜Au/PPY(DBS)元件的集成使原始形狀迅速轉變為螺旋結構，在2.1秒內形成四圈。然后，利用這種不對稱結構構建了螺旋可驅動神經袖帶。圖1d是袖帶的剖視示意圖。裝置的整體結構如圖1e所示，放大的光學顯微照片提供了致動器和微電極陣列的細節。

定制接口部分包括致動器和微電極，寬度為2.1毫米，長度為10.7毫米。特別值得一提的是，所有功能元件都共用一套柔性電觸點和連接線，無需使用傳統致動機構中常見的復雜而堅固的控制元件。這種簡化減少了機械不匹配的風險，有利于微型化進程。在靜態拉伸測試中（圖1f），薄層結構顯示出1.24 GPa的模量，與PaC的模量（1.13 GPa）非常接近，表明薄金屬層對模量的影響微乎其微。

盡管基于PaC的設備比神經組織更堅硬，但其超薄的外形卻賦予了其顯著的靈活性。

本研究使用從F?ppl–von Kármán板理論中推導出的模型估算了它們的彎曲剛度。得出的彎曲剛度為21 Pa mm3，相當于厚度為11.4μm的單層PPy（DBS）或厚度為40.0μm的單層聚二甲基硅氧烷。這種低剛度有效地解決了植入物與組織之間的機械不匹配問題，促進了更親密、更穩定的界面，大大降低了組織損傷引起的異物反應。使用簡化的裝置驗證了袖帶在體外自我包裹神經的能力，該裝置包括將一根絕緣導線作為坐骨神經模型浸沒在PBS溶液中，并置于瓊脂糖凝膠上。

導線和凝膠之間保持很小的間隙，允許裝置穿過。如圖1g所示，逐步施加-0.4至0.4 V的電壓時，裝置緩慢纏繞假體并逐漸收緊，直至形成牢固的抓握，并在施加-0.4 V電壓時松開。裝置的纏繞半徑由PaC層和PPy（DBS）層的厚度控制（圖1h）。

驗證

本研究選擇了2微米厚的PaC和4微米厚的PPy(DBS)組合作為最終設計，并在大鼠坐骨神經上進行了體內驗證，其中集成了28個聚(3,4-亞乙二氧基噻吩)聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS）/金微電極，用于記錄神經活動（圖2a）。為了在體內驗證前評估PPy(DBS)的細胞活力，使用播種在PPy(DBS)上的SH-SY5Y細胞和作為對照的玻璃載玻片進行了活/死細胞檢測。所有PPy（DBS）樣品都表現出顯著的細胞活力，細胞活力值約為99%，與玻璃載玻片上的對照組相似（圖2b）。此外，在電生理學微電極中加入PEDOT:PSS后，阻抗很低（在PBS中1 kHz時為4.1±0.4 kΩ），即使經過1,000次大的彎曲循環，阻抗的增加也可以忽略不計（圖2c）。

總結與展望

將軟電化學致動器集成到薄膜生物電子學中，可為微創神經連接手術提供一種新型的柔性。利用傳統的微細加工技術，本研究制備了將精確圖案化的致動器元件和微電極陣列集成在單一結構中的薄膜設備。這種電力驅動的軟機器人電極無需額外的笨重和剛性致動器以及其他方法中常用的復雜控制系統。憑借溶解陽離子在外加電壓作用下的可逆傳輸，實現了形狀轉換。為確保在生物醫學領域的安全使用，本研究已將致動所需的電壓大幅降至極低值。雖然這可能會導致較低的致動力，但微米厚的薄膜結構卻能產生理想的較大致動應變。本研究通過設計致動元件的分布，展示了不同的形狀變換模式。此外，打破結構對稱性還可以實現復雜的螺旋形狀。本研究強調，必須精心設計每一層的厚度，以優化特定應用設置的性能。