摘要：基于柔性纖維的微電極允許對(duì)電活性細(xì)胞和組織進(jìn)行安全和長(zhǎng)期的研究和調(diào)節(jié)。與平面電極相比，它們提高了靶向精度，同時(shí)最大限度地減少了裝置-組織機(jī)械不匹配的副作用。然而，當(dāng)前的制造方法面臨可擴(kuò)展性、可再現(xiàn)性和處理挑戰(zhàn)，阻礙了大規(guī)模部署。此外，只有少數(shù)設(shè)計(jì)能夠記錄理解復(fù)雜生物系統(tǒng)并與之互動(dòng)所必需的電和生化信號(hào)。在這項(xiàng)研究中，我們提出了一種方法，該方法利用MXenes(一種不同的二維納米材料)的導(dǎo)電性和易加工性，以快速(高達(dá)15 mm/s)將MXene涂層連續(xù)涂覆到商用尼龍絲(直徑為30-300微米)上，實(shí)現(xiàn)低于10ω/cm的線性電阻。然后將MXene涂覆的細(xì)絲批量加工成自立式纖維微電極，即使在打結(jié)時(shí)也具有優(yōu)異的柔韌性、耐久性和一致的性能。我們展示了這些纖維電極的電化學(xué)性質(zhì)及其過氧化氫(H2O2)感測(cè)能力，并展示了它們?cè)隗w內(nèi)(嚙齒動(dòng)物)和離體(膀胱組織)的應(yīng)用。這種可擴(kuò)展的工藝制造了高性能微纖維電極，可以輕松定制并部署在各種生物電子監(jiān)控和刺激研究中，有助于更深入地了解健康和疾病。

引言

與其他幾何形狀的電極相比，纖維形電極提供了更高的空間和時(shí)間分辨率，因?yàn)樗鼈兛拷繕?biāo)生物細(xì)胞。小電極直徑(D)可降低插入阻力和相關(guān)損害。它顯著降低了彎曲剛度K∝D4，從而減少了組織損傷和信號(hào)損失，這對(duì)于長(zhǎng)期植入至關(guān)重要。此外，與具有固定設(shè)備配置的平面電極不同，微纖維電極具有更大的靈活性和更少的幾何約束。它們可以插入或包裹不同幾何形狀的目標(biāo)組織，甚至可以作為單個(gè)電極或電極束放置在細(xì)胞之間。這種多功能性使它們適用于各種情況。最近，熱拉伸已成為制造多功能神經(jīng)探針的一種強(qiáng)大方法。然而，這種工藝對(duì)材料選擇造成了限制，并面臨著將直徑減小到100微米以下的挑戰(zhàn)。此外，緩慢的生產(chǎn)速度使熱拉伸難以滿足生物界面的大規(guī)模和多模態(tài)要求。MXenes的易加工性和多功能性為制造高性能纖維狀電極提供了一種替代的流水線工藝。

在這里，作者提出了一種快速、可擴(kuò)展和通用的浸涂技術(shù)，用于制造導(dǎo)電和柔性的Ti3C2Tx微纖維電極，這些電極可以很容易地定制用于各種生物研究。這種方法生產(chǎn)的MXene涂層纖維具有可調(diào)的機(jī)械、電氣和電化學(xué)性能，具有精確和可重復(fù)的均勻MXene涂層。這些品質(zhì)在以前的MXene纖維涂層研究中是無法達(dá)到的。此外，我們?cè)诮窟^程中利用MXene溶液彎月面中的剪切力，使MXene薄片沿著單根尼龍絲的表面排列并共形涂覆，這是一種尚未用于MXene纖維涂層的策略。這實(shí)現(xiàn)了低線性電阻(低至9.3±1.1ω/cm)，即使在高拉伸速度下(高達(dá)15 mm/s)。這些涂有MXene的細(xì)絲可以有效地批量制造成纖維電極陣列，用聚對(duì)二甲苯C的絕緣層封裝，并且在用于電記錄、刺激和H2O2感測(cè)時(shí)僅在尖端暴露。MXene纖維微電極表現(xiàn)出優(yōu)異的打結(jié)性和便于操作和植入的良好機(jī)械性能。我們?cè)诖笫笊窠?jīng)和肌肉體內(nèi)以及離體膀胱組織中證明了這些制作簡(jiǎn)單的多功能纖維電極的多功能性。這些纖維微電極為各種生物應(yīng)用提供了經(jīng)濟(jì)、耐用和用戶友好的小型化平臺(tái)。

研究報(bào)告

1.MXene使能的微纖維電極制造：

在這項(xiàng)研究中，作者利用MXenes和尼龍的優(yōu)點(diǎn)，用浸涂法制作了柔性纖維狀微電極。尼龍絲因其重量輕、耐化學(xué)性高、機(jī)械耐久性和成本效益而被選為基材。此外，尼龍絲是美國(guó)食品和藥物管理局(FDA)批準(zhǔn)用于醫(yī)療器械的材料，如永久性縫合線、導(dǎo)管和牙科植入物。尼龍纖維是通過熔融紡絲以連續(xù)方式生產(chǎn)的。尼龍上的正電荷導(dǎo)致帶負(fù)電荷的MXene牢固結(jié)合。如果應(yīng)用連續(xù)的MXene涂層，它可以使電子沿著細(xì)絲的整個(gè)長(zhǎng)度傳導(dǎo)。選擇不同直徑的圓形尼龍絲進(jìn)行概念驗(yàn)證研究，以簡(jiǎn)化動(dòng)態(tài)彎月面中的MXene/底物相互作用，并確保與生物電子學(xué)中當(dāng)前的纖維微電極探針具有可比性。通過混酸法制備了平均粒徑為1微米的單層Ti3C2Tx薄片。使用紫外可見光譜和X射線衍射(XRD)分析證實(shí)了合成的成功。Ti3C2Tx薄片上大量帶負(fù)電荷的官能團(tuán)(如-F、-CI、-OH)會(huì)在水中產(chǎn)生較大的負(fù)ζ電位(50 mV),使其能夠形成穩(wěn)定的溶液，用于浸涂，無需任何表面活性劑或添加劑。此外，通過調(diào)節(jié)MXene薄片的尺寸和/或濃度，可以在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)溶液的流變性，消除了對(duì)流變稀釋劑和增稠劑的需要。MXene涂層細(xì)絲可根據(jù)其特性進(jìn)行選擇，切割成預(yù)期應(yīng)用所需的長(zhǎng)度，并用10微米厚的聚對(duì)二甲苯C層進(jìn)行封裝(圖1b)。聚對(duì)二甲苯是一種美國(guó)藥典(USP)VI類聚合物，廣泛用作慢性醫(yī)療設(shè)備的生物相容性封裝材料。由于其阻隔性能、柔韌性和可加工性，聚對(duì)二甲苯已成為生物電子學(xué)的常用基材和鈍化層。一旦在尖端切割封裝纖維，就會(huì)暴露出可控量的MXene，從而提供易于處理和可再現(xiàn)結(jié)果的優(yōu)勢(shì)(圖1c)。與由其他材料制成的微纖維電極(例如，需要大量拋光的脆性碳纖維)相比，這代表著電極制造和部署過程的顯著簡(jiǎn)化。這些電極可以生產(chǎn)成不同的長(zhǎng)度，以在體內(nèi)、體外或離體研究各種規(guī)模的生物系統(tǒng)，從細(xì)胞(～10-20微米)、類器官(～1-5mm)和組織(>1 cm)到大腦和肌肉(圖1d)。

Fig1纖維電極制造和潛在應(yīng)用示意圖。(a)由尼龍長(zhǎng)絲穿過單層MXene薄片分散體組成的浸涂工藝示意圖。在此過程中，MXene薄片通過彎月面中存在的剪切力在軸向上排列。(b)尼龍絲、MXene涂層尼龍絲和Parylene涂層電極的示意圖和數(shù)碼照片。(c)切割電極的示意圖，MXene涂層的橫截面暴露在外，以及它們?cè)谶@項(xiàng)工作中表現(xiàn)出的能力。(MXene電極在各種生物系統(tǒng)中的潛在應(yīng)用，包括細(xì)胞、類器官、大腦和肌肉。

2.坐骨神經(jīng)的在體電記錄和刺激：

在這項(xiàng)研究中，作者對(duì)不同直徑(300、100和28微米)的MXene電極進(jìn)行了計(jì)時(shí)電位測(cè)定。所有電極都以15 mm/s的速度涂有110 mg/mL的MXene，每種尺寸制備一組3個(gè)電極。作者描繪了陰極電位偏移Ec和增加的注入陰極電流幅度之間的關(guān)系，揭示了平均Ec隨著電極直徑的減小而減小(圖2a，b)。隨著電極直徑的減小，對(duì)應(yīng)于陰極極限處E mc的電流計(jì)算為642.2±101.2、108.2±30.9和2.32±1.05μA，分別轉(zhuǎn)換為321.1±50.6、54.1±15.4和1.16±0.53 nC的最大陰極電荷(圖2c)。這表明，較厚的電極可以承受更大的電流，使它們能夠在需要時(shí)向目標(biāo)組織或細(xì)胞傳遞更多電荷，以引起響應(yīng)。與CICc與電極面積的既定比例相一致，100個(gè)微米電極的CICc為39.0±11.1 mC/cm2，而300個(gè)微米電極的CICc為18.8±3.0 mC/cm2。這歸因于較小的電極有助于更快的離子擴(kuò)散，且不容易出現(xiàn)不均勻的電流分布，這被稱為邊緣效應(yīng)。將MXene電極與其他材料制成的電極進(jìn)行比較，MXene電極的CICc明顯更高。這可以歸因于環(huán)形有源區(qū)，這再次減輕了圓形橫截面中的不均勻電流分布問題。此外，堆疊的MXene薄片中的狹縫可能有助于電解質(zhì)的芯吸，從而擴(kuò)大與電解質(zhì)接觸的實(shí)際表面積。

然后，作者評(píng)估了MXene纖維微電極在體內(nèi)電生理學(xué)研究中的性能。這里，作者將MXene纖維電極的雙極組件放置在大鼠的坐骨神經(jīng)上，用于傳遞刺激電流脈沖(圖2d)。一個(gè)獨(dú)立的MXene纖維電極被放置在脛骨前肌的頂部，以記錄誘發(fā)的肌電圖(EMG)活動(dòng)。通過一對(duì)300微米MXene電極在坐骨神經(jīng)上施加200μA的刺激電流脈沖后，成功記錄了誘發(fā)肌電圖(圖2e)。由MXene電極記錄的誘發(fā)EMG的SNR對(duì)于100和300微米MXene微纖維分別為15.20±0.32和13.92±0.53 dB。增加坐骨神經(jīng)上刺激電流的幅度導(dǎo)致誘發(fā)肌電圖的峰-峰幅度增加，直到達(dá)到最大募集(圖2e)。注意到，對(duì)于100和300微米MXene纖維電極，分別用50和75μA電流脈沖觀察到最大募集。這是在電流幅度遠(yuǎn)低于100和300微米MXene電極所允許的最大幅度(分別為642.2±101.2和108.2±30.9μA)時(shí)實(shí)現(xiàn)的。作者將MXene微纖維的刺激和記錄能力分別與市售的鎢(W)和不銹鋼電極進(jìn)行了對(duì)比。通過雙極W電極的刺激遵循與MXene電極相似的趨勢(shì)，最大募集發(fā)生在80μA左右。另一方面，通過不銹鋼電極誘發(fā)的肌電圖記錄顯示信噪比為19.72±0.52 dB。這些電極的更大SNR可歸因于它們更高的電導(dǎo)率和這些電極更大的幾何覆蓋區(qū)，因?yàn)椴讳P鋼絲的側(cè)面也暴露于肌肉組織。這提供了用于感測(cè)和調(diào)節(jié)電生理活動(dòng)的MXene纖維微電極的體內(nèi)演示。

Fig2 MXene-尼龍微纖維電極可以記錄和刺激電生理活動(dòng)。(a)針對(duì)直徑為300、100和28微米的110 mg/mL MXene、15 mm/s涂層電極，繪制陰極電位偏移Ec值與注入陰極電流振幅的關(guān)系圖。MXene電極的陰極電壓限值顯示為虛線，SD顯示為陰影(n=3)。(b)對(duì)于28微米直徑的電極，在縮放的x軸上繪制相同的圖。(c)穿過3種不同尺寸的電極注入的最大電荷(C)。(d)體內(nèi)刺激和記錄實(shí)驗(yàn)的示意圖，其中一對(duì)MXene電極放置在坐骨神經(jīng)上作為雙極刺激電極，另一個(gè)MXene電極放置在脛骨前肌的表面上作為記錄電極。(e)當(dāng)使用一對(duì)300微米MXene電極以200μA的陰極電流刺激坐骨神經(jīng)時(shí)，300微米MXene電極記錄的脛骨前肌的代表性誘發(fā)肌電圖(EMG)電位?；疑€表示單個(gè)脈沖(n=10)，紫色曲線表示單個(gè)軌跡的平均值。(f)使用100和300微米MXene微電極測(cè)量的作為刺激電流幅度函數(shù)的峰-峰誘發(fā)肌電圖。

3.總結(jié)

在這項(xiàng)研究中，作者介紹了一種使用Ti3C2Tx MXene快速制備多功能微纖維電極的高通量方法。在高速涂布過程中使用剪切力使得能夠采用濃度高達(dá)110 mg/mL的粘性MXene分散體。通過這種方法，MXene薄片被有效地排列，以在最小MXene消耗下在單次通過后產(chǎn)生具有10ω/cm的低電阻(電導(dǎo)率為7093 819 S/cm)的涂層。這種創(chuàng)新的工藝開發(fā)出了可靠、耐用、低成本的Ti3C2Tx微纖維電極，不含添加劑和集電器。此外，通過調(diào)整MXene濃度、細(xì)絲直徑和涂覆速度，作者的適應(yīng)性方法有助于輕松定制電極的電氣、機(jī)械和電化學(xué)特性。這些電極表現(xiàn)出多功能性，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向電通信和H2O2檢測(cè)，通過體內(nèi)和體外研究進(jìn)行了驗(yàn)證。此外，電極可以有效地進(jìn)行高密度和多模式陣列的復(fù)用，并與其他研究技術(shù)(如MRI和光學(xué)刺激)集成。還可以設(shè)想在可穿戴電子設(shè)備中的應(yīng)用，其中需要纖維形狀的集電器或電極。