供稿人：李晨、贺健康 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：2023-09-10
外周神经接口（PNI）是一种很有发展前景的医学工具，它可以通过刺激神经来引发体内的特定反应。同时，PNI可用于通过复合动作电位的电信号来读取感觉或运动信号。目前的临床应用以身体较大的神经为目标，通常在毫米范围内。这种神经包括许多轴突，目前将特定纤维与其他纤维隔离开来是一项挑战。另一方面，在目标组织附近发现小神经，通常包含较少的轴突。因此，可以通过连接小神经来增加刺激和记录的选择性。然而，这些神经的直径通常为十分之几到数百微米，这需要使用相应的小尺寸电极。然而，小尺寸电极的设计和植入增加了其应用的难度。
针对上述问题，慕尼黑工业大学医学工程学院的研究人员提出了一种用于极小周围神经接口的4D打印电极，该电极的结构可使其在植入过程中自行折叠到神经套上。该电极采用了一种定制的水凝胶材料，当与水接触时会膨胀，并在插入设备后作为驱动机构。该电极植入过程易于操作，并具有内在的可拉伸性，适用于对此特性有需求的不同应用场景。研究人员验证了微小神经（≈150µm）在体内的可靠接口以及神经信号的成功刺激和记录。此外，研究结果还表明，电极可以直接取出，不会损伤神经。
为了简化袖带电极在微小神经上接合的步骤，研究人员设计了一种双层结构，可以利用吸水性水凝胶材料的溶胀属性。与体液等液体的接触会触发自折叠机制，导致袖套电极包裹神经(图1a，b)。该电极由非溶胀柔性材料和高溶胀比水凝胶组成，在立体光固化3D打印机中使用正面光固化（FPP）打印这两层结构。使用市售的柔性聚氨酯光固化印刷树脂（柔性树脂）印刷非溶胀层。该结构与水接触时，高溶胀比树脂材料膨胀并施加力，使由柔性树脂形成的内层弯曲和折叠。与其他可打印的水凝胶相比，该树脂材料具有在几乎干燥的状态下可图案化的优点，显示出高溶胀率并在变形过程中施加足够的力。这些形变使微小PNI(100-200µm)能够达到所需的折叠直径(图1c-g)。最后，在自折叠基板的顶部喷射导电Ti/Au层，使金属位于袖套电极的内表面，并对其进行激光图案化，形成宽度为100µm的馈线。通过旋涂一层柔性树脂直到袖带电极的折叠尖端来钝化馈线，用这种方式制造钝化后的带有两个、四个和六个电极器件(图1i)。
图 1 4D打印自折叠电极示意图。(a)从接触垫到连接到神经的可折叠尖端的整个袖带电极的示意图。(b)电极尖端的示意性特写侧视图，显示了在折叠的不同步骤中层的变化。(c)袖带电极的透视图，通过在水中折叠过程中叠加多个图像获得。(d)用不同层厚度制造的袖带电极的侧视图。 (e,f)双电极装置的尖端在浸入水中后从左到右折叠的俯视图和侧视图。(g)在测量打开所需的力时，电极缠绕在电线上并在拔下时打开。(h)暴露在水中的情况下，手上的手指从上到下折叠，有两种不同的设计。(i) 具有两个、四个和六个电极的设备。
研究人员连接了蝗虫的神经，以验证4D袖套电极的体内性能。神经5（N5）从蝗虫的后胸神经节中露出，支配蝗虫的后腿。它包括许多传入和传出神经纤维，包括负责跳跃的神经纤维(图2a)。它是一条直径≈150-200µm的小神经，后胸腔内的接口长度通常仅限于几毫米。这些小尺寸使蝗虫神经成为在有限空间内显示小周围神经接口的绝佳模型。该研究的可折叠袖带电极只需要靠近神经，在与水接触20到30秒后便可将其包裹起来(图2d-f)。当袖带被更有力地拉动时，它可以再次展开。利用这一特性，在每次实验后，只需轻轻地将袖带电极拔下，即可将其与神经分离(图2g-i)。
图 2 蝗虫神经与4D袖套电极的接口。(a)蝗虫的后胸腔，暴露出后胸神经节和神经。(b)神经刺激引起的后腿运动。(c)超过10个刺激脉冲的腿部角度。(d-f)电极插入顺序。将展开的袖带电极放置在神经旁边。在与电解质接触时，超吸收性聚合物溶胀，导致基底折叠并随后包裹神经。在完全折叠之后，Au电极与神经接触，并且可以用于记录和刺激。(g-i)通过调整打印参数，可以调整电极的打开力，将电极从蝗虫上拔下，而不会使神经断裂。只需通过馈线即可拉动电极。袖套打开并释放神经，之后迅速回到闭合位置。
尽管该方法已经证明该4D打印柔性电极可以极大地简化了外科医生的神经接口操作，并记录了次级微小神经产生的电生理信号。但用于制造电极的柔性树脂材料的生物相容性未得到广泛测试，该柔性树脂材料能否在体内进行长期监测尚未得到证明。在未来，可以通过对小型哺乳动物体内植入该柔性可折叠电极进行长期生物相容性分析，包括评估异物反应和材料稳定性。