美国达特茅斯学院方辉课题组开创性地提出一种新型多功能弹性纳米网格（Nanomesh）的器件，解决了传统硅胶基弹性神经电子学存在的两大限制：一是刚性金属成分限制了设备的柔韧性，无法紧密贴合生物组织；二是传统制备工艺难以实现高密度、高分辨率的微电极阵列。
该团队成功实现了细胞级分辨率和高密度弹性的微电极阵列制备，为开发下一代神经接口技术奠定了坚实基础。这一研究成果已于2024年7月16日发表在顶尖国际学术期刊《Advanced Materials》上，在纳米材料和神经科学领域引发关注。（DOI: 10.1002/adma.202403141）
研究背景
柔性神经电子学在神经科学、神经疾病治疗以及可穿戴电子领域具有重要意义，神经活动的实时监测和精确控制是解决这一难题的关键所在。然而，传统硅胶基弹性神经电子学存在两大限制：一是刚性金属成分限制了设备的柔韧性，无法紧密贴合生物组织；二是传统制备工艺难以实现高密度、高分辨率的微电极阵列。本文提出了一种基于多功能纳米网格的弹性神经电子学方法，通过利用传统电极材料在聚二甲基硅氧烷 (PDMS)硅基上创建具有细胞分辨率的微电极，从而克服了传统硅胶基弹性神经电子学的限制实现了高柔韧性、高导电性和高电化学活性的弹性微电极制备。
研究方法
这种多功能纳米网格结构如图 1 所示，由聚对二甲苯（Parylene-C）、金（Au）和聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸盐)（PEDOT:PSS）三层材料组成。其中Parylene-C（厚度 100–500 nm）提供机械缓冲防止薄膜电子材料开裂，Au （厚度 20–100 nm）提供电传导，PEDOT:PSS（厚度 25–107 nm）提供低阻抗电化学界面。制备流程主要包括：在 15 µm厚度的PDMS 基底上沉积 Parylene-C 薄膜。使用铟晶界光刻技术图案化 Au 纳米网格。沉积并图案化 PEDOT:PSS 电极层。
这种纳米网格结构设计为弹性微电极带来了革命性的突破，使其能够达到细胞级记录分辨率，并具有以下显著优势：
1.高柔韧性：纳米网格结构赋予了弹性微电极良好的柔韧性，使其能够贴合不规则的生物组织表面。
2.高导电性：Au 层确保了弹性微电极的低电阻率，提高了信号传输效率。
3.高电化学活性：PEDOT:PSS 层增强了弹性微电极与生物组织的电化学界面，提高了信号采集灵敏度。
图2. 256 通道纳米网格微阵列图像（左）；应变为 40% 的纳米网弹性微电极的 SEM 图像（中）；微电极阵列的阻抗直方图（右）
由于能够实现细胞分辨率电极和缩放互连，团队成功制备出多达 256 个纳米网格弹性微电极的高密度阵列（图2左）。已经报道过的 PDMS 或水凝胶基底上的微电极通常受到电极面积大和密度低的限制。相比之下，多功能纳米网格方法使弹性神经电子学具有创纪录的吞吐量和密度，达到与商用硅基密歇根阵列相当的水平，同时保持了细胞级电极部位面积（直径小至20微米，或314 平方微米）和低阻抗。这种低阻抗也与主流先进的神经电极相媲美；电极位置面积为20×20 µm²的纳米网弹性阵列上，在1 kHz时平均阻抗为200 kΩ的通道数占总通道数的90.6%（图2右），展现出其卓越的导电性能。
图3. 施加 5% 应变时纳米网格的有限元分析(FEA)模拟结果
图3展示了一个由5 µm PDMS、300 nm Parylene-C和60 nm Au组成的模型。对PDMS施加5%的应变后，我们可以观察到顶层金层的应变分布情况。有趣的是，纳米网格图案化金的局部变形明显低于基底的整体变形。因此，纳米网格电极在施加应变时会发生整体弹性变形，不会显著改变其电极面积，因此也不会改变阻抗。
图4. 32 通道纳米网格弹性微电极阵列在 30% 应变下的循环拉伸测试结果（左）；代表性纳米网格电极（N=5）在 57°C的PBS（pH=7.4）中浸泡后在314平方微米电极面积下的平均和归一化阻抗随周数变化的函数图（右）
为了验证纳米网格弹性电极的优异性能，研究人员对其进行了严格的测试，包括循环拉伸测试和加速浸泡测试。测试结果表明，该电极不仅具有出色的弹性和可靠性，而且与PDMS基板高度兼容，使其成为神经接口应用的理想选择。
1. 循环拉伸测试:将电极拉伸至30%的应变，重复100万次循环。
结果表明：电极阻抗和机械性能没有明显变化（图4左），展现出卓越的弹性和耐久性。
2. 加速浸泡测试: 将电极浸泡在0.01M磷酸盐缓冲液（PBS，pH 7.4）中，温度为57°C，持续4周，相当于在37°C下浸泡16周（假设加速老化因子Q10为2）。结果表明：电极阻抗变化极小，显微镜检查也未发现任何薄膜分层现象（图4右），证明了电极的长期稳定性和可靠性。
3. Parylene-C&PDMS和Parylene-C&金属界面的可靠性验证:将样品在30%应变下浸入57°C的PBS溶液中，并测量其阻抗。
结果表明：在57°C浸泡7天后（相当于37°C浸泡28天），电极阻抗保持稳定，未见明显变化。显微镜检查也未发现任何薄膜分层现象，进一步证实了Parylene-C&PDMS和Parylene-C&金属界面的可靠性。
研究结果
图5.体内实验示意图（左）；暴露后的DRG图像（中）；使用相同设计的 64 通道纳米网格弹性电极阵列（右上）和 64 通道 Kapton 阵列（右下）
实验团队成功进行了小鼠背根神经节L4（Dorsal Root Ganglion，DRG）大曲率的硬膜外表面单神经元动作电位记录的实验（如图5），并对比了纳米网格与通常需要手动按压的传统神经接口器件，得出柔软且可贴合的纳米网格具有更好的界面自适应性。
图6. 带有四种不同的电极尺寸的 16 通道纳米网格弹性电极阵列植入小鼠 L4 DRG 硬膜外表面（左上）；16 通道阵列的布局示意图（右上）；来自每种尺寸的弹性电极的代表性多单元波段信号和排序波形（左下）；由电刺激引起的复合动作电位的 Aβ 和 Aδ 分量的叠加，由四种不同尺寸的弹性电极记录（右下）
该研究的另一重点是探究电极尺寸与单神经元记录性能之间的关系，为电极设计提供新的指引（图6）。传统认知认为，在脑电记录领域，小于20微米的电极能够用于单个细胞活动检测。然而，对于弯曲表面（如小鼠L4 DRG）的电极尺寸影响，却鲜有研究进行深入探讨。为了填补这一空白，研究团队构建了16通道纳米网格，包含四种不同尺寸（20-400微米）的电极，并将其植入小鼠L4 DRG表面进行电生理信号记录。结果表明，所有尺寸的电极均能捕获诱发出的多单位活动和复合动作电位。
图7. 使用 64 通道纳米网格弹性电极阵列从 DRG 表面映射的平均单元波形，展示了高产量和高保真度的单元记录（左）；从 64 通道纳米网格弹性电极阵列映射的尖峰发放率（右上）和 LFP（右下）
小鼠动物实验取得的结论如下：
成功记录单细胞动作电位：该阵列能够成功记录小鼠背根神经节（DRG）表面单细胞的动作电位（图7），清晰地揭示了硬膜外DRG表面神经元的时空动态活动。亚毫秒级动作电位的捕捉为研究神经活动提供了高分辨率数据，具有重要科学意义。
揭示LFP功率与尖峰放电的关系：研究发现，LFP功率与尖峰放电率呈正相关，表明LFP数据可以用于预测神经元活动。这一发现为利用LFP数据研究神经活动提供了新的思路，拓展了神经信息分析的方法。
优化电极尺寸：通过分析不同尺寸电极记录的信号数据，研究人员确定了最佳电极直径为40微米以下。该尺寸的电极能够获得最高的峰值信噪比和最可靠的峰值分类结果，与神经生物学中DRG神经元细胞体大小相匹配。这一发现为设计高性能神经接口阵列提供了重要依据。
为高密度神经接口奠定基础：考虑到小鼠L4 DRG区域的细胞密度约为170-350细胞/平方毫米，研究人员认为电极密度与细胞密度相当的阵列将进一步提升对DRG表面电生理时空动态的研究效果。这一发现为开发高密度神经接口阵列奠定了坚实的基础，有望推动神经科学研究和神经接口技术的重大进展。
研究结果分析
研究人员采用多层纳米网格结构，在PDMS基底上制备出细胞分辨率的弹性微电极阵列，成功突破了传统弹性神经电子学的局限性。该微电极阵列在小鼠背根神经节的单细胞记录中表现出卓越性能，在信噪比、频带宽度和完整波形捕获方面均优于传统塑料基弹性神经电子学设备。此外，研究者还通过循环拉伸测试和加速浸泡测试验证明了纳米网格结构对提高弹性设备的延展性和可靠性的积极作用。
图8. 纳米网格电极阵列比基于 Kapton制备的阵列电极对DRG 表面自适性高（左）；使用纳米网格电极和 Kapton 电极从 DRG 表面记录的代表性宽带信号（右）
图9. 纳米网格电极记录的 PSTH 分析（上）；同一电极记录数据的 LFP 波段功率（1-500 Hz），显示动作电位和 LFP 之间存在很强的正相关性
与需要施加外力的硬性Kapton阵列相比（图8），弹性纳米网格阵列在神经信号记录方面展现出多重优势：
a.优异的贴合性：纳米网格阵列可以无缝贴合弯曲的DRG表面，实现稳定和紧密接触，避免了固态阵列与神经组织接触不良导致的信号损失。这意味着纳米网格阵列能够更准确地捕获神经信号，减少噪音干扰，提高数据质量。
b.高保真记录：纳米网格阵列可以在大范围的 L4 DRG 表面上捕获高质量的神经信号，避免了固态阵列运动伪影的干扰（图8）。这种阵列可以有效记录神经元放电和局部场电位，为研究神经元活动提供准确的数据。
c.时空响应：纳米网格阵列能够揭示整个 DRG 的时空分辨响应（图9），通过记录由后腿爪机械刺激引起的神经元放电和局部场电位 (LFP)，可用于研究神经元在不同时间和位置的活动规律，有益于理解神经系统的编码和信息传递机制。
d.机械敏感传入神经纤维反应：该阵列可以检测 DRG 中各种机械敏感传入神经纤维的反应，包括编码疼痛信号的伤害感受器，有助于研究疼痛机制、疼痛管理和神经疾病治疗。
e.周围致敏：纳米网阵列还可以检测强烈的刺激导致的一些神经元周围致敏现象，即刺激结束后神经元持续放电，对于研究神经系统的可塑性和病理生理状态具有重要意义。
结论（启发展望）
多功能弹性纳米网格（Nanomesh）不仅在传统的神经电极材料和薄膜制备工艺方面具有高度可靠性，而且具有出色的可扩展性。它通过循环拉伸测试和严格的加速浸泡测试得到验证，表现出卓越的顺应性和记录能力。研究还建立了电极尺寸与 DRG 表面单单位记录性能之间稳健的关系，强调了细胞级电极的重要性。这种纳米网格能够有效地记录单单位动作电位并揭示硬脑膜外 DRG 表面神经活动的时空动态，体现出其在神经接口应用方面潜在的价值。
总体而言，这种多功能弹性纳米网格有效地实现细胞级分辨率的神经信号采集,为生物电子学和弹性神经电子学开辟了广阔前景，具有出色的可扩展性，并展示了与软性和非平坦表面的电活性细胞和组织有效接口的潜力。通过解决神经界面基础问题，纳米网格弹性神经电子学有望推动对感觉神经编码群体神经动力学的理解，为临床应用提供更准确的数据，并为开发下一代假肢和闭环神经刺激器开辟新途径。
Reference
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202403141
关于实验团队
达特茅斯多功能集成神经电子实验室（MINE Lab）致力于将纳米材料与神经界面创新研究相结合，为神经电子领域带来突破性解决方案。团队汇集了来自多学科的杰出研究人员，共同推动神经科学研究的进步。研究重点包括神经脑机接口、设计用于制备高性能神经电子器件的合成新型电子材料以提高设备的灵活性、生物相容性和功能性。同时，团队也探索电活性有机材料在神经界面中的应用，并致力于开发新型神经递质的检测传感器，以实现对神经信号的精准探测和调控。
如欲了解更多关于MINE Lab的研究，欢迎访问多功能集成神经电子实验室网站：https://sites.dartmouth.edu/fang-group/
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