供稿人：姚思琦 王玲 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2021-09-20
植入式微电极阵列通过揭示神经元活动和功能连接，对理解大脑和神经疾病做出了重要的贡献。但由于脑组织微观环境对微电极的特性极其敏感，使得植入式微电极的有效设计具有很强的挑战性。为提供具有长期记录稳定性的电子-脑界面，柔性神经探针越来越多的用于植入式神经记录技术，然而柔性材料在软组织中实现植入和精准定位十分困难，面临着简化植入方式和稳定接口界面二者之间相互制约的困境。
针对这一现状，复旦大学高分子科学与新材料实验室的孙雪梅等人提出一种具有可变弹性模量的微纤维状神经探针(MFNPs)，三层同轴核壳结构的探针制备过程如图1所示，以碳纳米管纤维(CNTF)为核心电极，表面涂覆聚对二甲苯作为绝缘层，钙离子交联海藻酸钠(SA)为弹性模量可变层。由于水分子的扩散和含水环境中的聚合物链的松弛有助于SA的溶胀，可导致电极弹性模量和柔韧性的相应改变，电极吸水后直径从36μm变为大约190μm。
图1 弹性模量可变MFNP的制备a：MFNP的典型制造方法 b：MFNP多层结构原理图 c：MFNP分层电镜扫描 d：干态MFNP e：浸入人工脑脊液中的湿态MFNP f：湿态MFNP高倍放大
采用纳米压痕法研究了干式MFNP和湿式MFNP的力学差异，测得干态MFNP的有效压痕弹性模量为，可以在没有任何辅助材料的情况下不发生弯曲的植入琼脂水凝胶中，植入后干态MFNP吸水膨胀变软弹性模量变为，最终占据空间形成稳定的界面。在如图2所示界面的动态稳定性测试中，与脑组织匹配的弹性模量确保了湿态MFNP和压缩的脑组织之间的同步运动，从而提供了一个高度稳定的神经元信号记录。
图2 MFNP界面动态稳定性测试 左侧：植入MFNP的小鼠大脑压缩前后显微CT图像 右侧：轮廓提取线。
将干态MFNP植入成年小鼠的大脑皮质中实时监测神经元活动，由于导电CNTF的大小与神经元大小相同，湿态MFNP能够记录单个单元信号。图3a显示了体内记录两个单个单元的波形，由软件确定的MFNP实时信噪比优于大多数基于高分子材料的柔性神经探针。为验证探针的长期功能稳定性进行如图3b所示持续4周的神经记录，未发现明显的性能退化，这种稳定性可能来自于探针稳定的电化学性能和动态稳定界面所保证的实时响应。
图3 MFNP体内电生理信号记录 a：单个单元波形图 b：体内四周信号记录