研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種高度柔性的神經(jīng)袖套，結(jié)合了電化學(xué)驅(qū)動(dòng)的導(dǎo)電聚合物軟致動(dòng)器與低阻抗微電極。這種設(shè)計(jì)能夠在僅需幾百毫伏的應(yīng)用電壓下實(shí)現(xiàn)主動(dòng)抓握或環(huán)繞精細(xì)神經(jīng)的能力。通過大鼠模型進(jìn)行的體內(nèi)驗(yàn)證顯示，這些神經(jīng)袖套可以形成并維持一個(gè)自我封閉且可靠的生物電子接口與坐骨神經(jīng)相連而無需使用外科縫合線或粘合劑。研究中還探討了不同厚度的導(dǎo)電聚合物聚吡咯（PPy）層對致動(dòng)性能的影響，發(fā)現(xiàn)厚度的變化能夠影響彎曲幅度和響應(yīng)時(shí)間。此外，研究證明了該裝置在重復(fù)操作下的穩(wěn)定性和可靠性，并通過細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn)確保了其生物相容性。其具有潛在的應(yīng)用于治療慢性神經(jīng)痛、運(yùn)動(dòng)障礙、代謝性疾病以及假肢肢體閉環(huán)控制的可能性。

研究亮點(diǎn)

1.開發(fā)了結(jié)合電化學(xué)驅(qū)動(dòng)的導(dǎo)電聚合物軟致動(dòng)器與低阻抗微電極陣列的高度柔性的神經(jīng)袖套，只需幾百毫伏的電壓即可控制袖套的彎曲幅度和方向。2.摻雜十二烷基苯磺酸鹽（PPy（DBS））的聚吡咯作為驅(qū)動(dòng)材料，以達(dá)到需要的體積變化。

研究背景

傳統(tǒng)的周圍神經(jīng)接口通常需要復(fù)雜的植入手術(shù)，這些手術(shù)可能帶來較高的神經(jīng)損傷風(fēng)險(xiǎn)。因此，研究人員致力于開發(fā)一種微創(chuàng)的神經(jīng)接口系統(tǒng)，以減輕這些風(fēng)險(xiǎn)。周圍神經(jīng)接口在生物電子醫(yī)學(xué)中扮演著越來越重要的角色，已經(jīng)被用于治療慢性神經(jīng)痛、運(yùn)動(dòng)障礙、代謝性疾病等。

研究內(nèi)容

研究者介紹了一種軟機(jī)器人薄膜生物電子周圍神經(jīng)袖帶，它集成了數(shù)十個(gè)分布式高分辨率微電極和基于導(dǎo)電聚合物的雙層致動(dòng)器，可以通過可編程電輸入進(jìn)行控制。研究者選擇了摻雜十二烷基苯磺酸鹽（PPy(DBS)）的聚吡咯作為驅(qū)動(dòng)材料，因?yàn)樗陔娀瘜W(xué)刺激下會(huì)發(fā)生巨大的體積變化。當(dāng)施加輕微的負(fù)電壓時(shí)，由于溶劑化陽離子（例如Na+）被拉入聚合物基質(zhì)中，聚合物會(huì)發(fā)生體積膨脹。相反，正電壓會(huì)導(dǎo)致陽離子被驅(qū)逐回電解質(zhì)，從而導(dǎo)致聚合物收縮。通過利用這種可逆電化學(xué)過程，由PPy(DBS)涂覆的金(Au)形成的雙層結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出可控的彎曲行為。

圖1：a.電化學(xué)過程中PPy(DBS)因Na+等小陽離子的傳輸而引起的巨大體積變化。b.PPy(DBS)/Au雙層致動(dòng)器在PBS溶液中垂直于薄膜表面來回的可逆彎曲運(yùn)動(dòng)。

通過在0.1 M NaDBS/0.1 M吡咯溶液中施加2 mA cm-2的恒定電流，研究者們以電化學(xué)方式將PPy(DBS)沉積在Au涂覆的聚對二甲苯C(PaC)薄膜上。在薄膜沉積過程中，帶負(fù)電的大體積陰離子DBS-被納入聚合物基質(zhì)中，以保持整體電荷中性。

總體而言，薄膜厚度隨著沉積電荷量線性增加，每C cm-2增加約6.7μm。隨著薄膜變厚，它往往變得越來越不均勻，受到壓實(shí)密度增加。研究者們通過在0.1 M NaDBS中以10 mV s-1進(jìn)行循環(huán)伏安法(CV)掃描來預(yù)處理薄膜，以完全激活PPy(DBS)。最初，該裝置是平坦的，但經(jīng)過幾次CV掃描后，它轉(zhuǎn)變?yōu)榫砬鸂顟B(tài)，并伴隨著不可逆電流，在第一個(gè)周期中尤其明顯。即使在沒有任何施加電壓的情況下，預(yù)處理最終也會(huì)導(dǎo)致完全卷曲的狀態(tài)。較高的頻率涉及參與反應(yīng)的陽離子較少，因此導(dǎo)致彎曲幅度逐漸減小。這種現(xiàn)象與陽離子移動(dòng)穿過聚合物基質(zhì)所需的時(shí)間有關(guān)。具有不同PPy(DBS)厚度的器件的性能表現(xiàn)出一致的趨勢。一般來說，彎曲幅度隨著轉(zhuǎn)移電荷量的增加而增加，并且高度依賴于PPy(DBS)的厚度。

研究者驗(yàn)證了袖帶在體外自動(dòng)包裹神經(jīng)的能力，將絕緣線作為坐骨神經(jīng)模型，浸入PBS溶液中并放置在瓊脂糖凝膠上。導(dǎo)線和凝膠之間保持一個(gè)小間隙，允許裝置通過。在逐步施加從-0.4到0.4 V的電壓時(shí)，該裝置慢慢地纏繞在模型上并逐漸收緊，直到形成牢固的抓握，并在施加-0.4 V的電壓時(shí)釋放。

圖2：軟執(zhí)行器集成神經(jīng)袖帶電極和柔性神經(jīng)套囊主動(dòng)包裹坐骨神經(jīng)以實(shí)現(xiàn)無需縫合的親密界面的概念示意圖。

研究前景

研究者們將繼續(xù)探索如何通過優(yōu)化材料和設(shè)計(jì)來提高電極陣列的性能，例如通過改進(jìn)導(dǎo)電聚合物的性能，使袖套能夠更好地適應(yīng)神經(jīng)的形狀和尺寸。同時(shí)利用傳統(tǒng)的微制造技術(shù)，可以進(jìn)一步完善薄膜設(shè)備的設(shè)計(jì)，集成精確圖案化的致動(dòng)元件和微電極陣列，實(shí)現(xiàn)更低電壓驅(qū)動(dòng)下的形狀變換。未來的研究可能會(huì)更多地采用有限元分析來深入理解不同設(shè)計(jì)因素之間的相互作用，以及它們?nèi)绾斡绊懧菪聞?dòng)行為，特別是極端彎曲條件下的表現(xiàn)。另外，盡管已經(jīng)進(jìn)行了初步的體內(nèi)驗(yàn)證，但仍需要進(jìn)一步研究以確保該技術(shù)的長期生物相容性和穩(wěn)定性。