用于微小神經(jīng)接口的4D打印柔性可拉伸自折疊

供稿人：李晨、賀健康
供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　
來源：中國機械工程學會增材制造技術(shù)（3D打�。┓謺�

外周神經(jīng)接口（PNI）是一種很有發(fā)展前景的醫(yī)學工具，它可以通過刺激神經(jīng)來引發(fā)體內(nèi)的特定反應。同時，PNI可用于通過復合動作電位的電信號來讀取感覺或運動信號。目前的臨床應用以身體較大的神經(jīng)為目標，通常在毫米范圍內(nèi)。這種神經(jīng)包括許多軸突，目前將特定纖維與其他纖維隔離開來是一項挑戰(zhàn)。另一方面，在目標組織附近發(fā)現(xiàn)小神經(jīng)，通常包含較少的軸突。因此，可以通過連接小神經(jīng)來增加刺激和記錄的選擇性。然而，這些神經(jīng)的直徑通常為十分之幾到數(shù)百微米，這需要使用相應的小尺寸電極。然而，小尺寸電極的設(shè)計和植入增加了其應用的難度。

針對上述問題，慕尼黑工業(yè)大學醫(yī)學工程學院的研究人員提出了一種用于極小周圍神經(jīng)接口的4D打印電極，該電極的結(jié)構(gòu)可使其在植入過程中自行折疊到神經(jīng)套上。該電極采用了一種定制的水凝膠材料，當與水接觸時會膨脹，并在插入設(shè)備后作為驅(qū)動機構(gòu)。該電極植入過程易于操作，并具有內(nèi)在的可拉伸性，適用于對此特性有需求的不同應用場景。研究人員驗證了微小神經(jīng)（≈150μm）在體內(nèi)的可靠接口以及神經(jīng)信號的成功刺激和記錄。此外，研究結(jié)果還表明，電極可以直接取出，不會損傷神經(jīng)。

為了簡化袖帶電極在微小神經(jīng)上接合的步驟，研究人員設(shè)計了一種雙層結(jié)構(gòu)，可以利用吸水性水凝膠材料的溶脹屬性。與體液等液體的接觸會觸發(fā)自折疊機制，導致袖套電極包裹神經(jīng)(圖1a，b)。該電極由非溶脹柔性材料和高溶脹比水凝膠組成，在立體光固化3D打印機中使用正面光固化（FPP）打印這兩層結(jié)構(gòu)。使用市售的柔性聚氨酯光固化印刷樹脂（柔性樹脂）印刷非溶脹層。該結(jié)構(gòu)與水接觸時，高溶脹比樹脂材料膨脹并施加力，使由柔性樹脂形成的內(nèi)層彎曲和折疊。與其他可打印的水凝膠相比，該樹脂材料具有在幾乎干燥的狀態(tài)下可圖案化的優(yōu)點，顯示出高溶脹率并在變形過程中施加足夠的力。這些形變使微小PNI(100-200μm)能夠達到所需的折疊直徑(圖1c-g)。最后，在自折疊基板的頂部噴射導電Ti/Au層，使金屬位于袖套電極的內(nèi)表面，并對其進行激光圖案化，形成寬度為100μm的饋線。通過旋涂一層柔性樹脂直到袖帶電極的折疊尖端來鈍化饋線，用這種方式制造鈍化后的帶有兩個、四個和六個電極器件(圖1i)。

圖 1 4D打印自折疊電極示意圖。(a)從接觸墊到連接到神經(jīng)的可折疊尖端的整個袖帶電極的示意圖。(b)電極尖端的示意性特寫側(cè)視圖，顯示了在折疊的不同步驟中層的變化。(c)袖帶電極的透視圖，通過在水中折疊過程中疊加多個圖像獲得。(d)用不同層厚度制造的袖帶電極的側(cè)視圖。 (e,f)雙電極裝置的尖端在浸入水中后從左到右折疊的俯視圖和側(cè)視圖。(g)在測量打開所需的力時，電極纏繞在電線上并在拔下時打開。(h)暴露在水中的情況下，手上的手指從上到下折疊，有兩種不同的設(shè)計。(i) 具有兩個、四個和六個電極的設(shè)備。

研究人員連接了蝗蟲的神經(jīng)，以驗證4D袖套電極的體內(nèi)性能。神經(jīng)5（N5）從蝗蟲的后胸神經(jīng)節(jié)中露出，支配蝗蟲的后腿。它包括許多傳入和傳出神經(jīng)纖維，包括負責跳躍的神經(jīng)纖維(圖2a)。它是一條直徑≈150-200μm的小神經(jīng)，后胸腔內(nèi)的接口長度通常僅限于幾毫米。這些小尺寸使蝗蟲神經(jīng)成為在有限空間內(nèi)顯示小周圍神經(jīng)接口的絕佳模型。該研究的可折疊袖帶電極只需要靠近神經(jīng)，在與水接觸20到30秒后便可將其包裹起來(圖2d-f)。當袖帶被更有力地拉動時，它可以再次展開。利用這一特性，在每次實驗后，只需輕輕地將袖帶電極拔下，即可將其與神經(jīng)分離(圖2g-i)。

圖 2 蝗蟲神經(jīng)與4D袖套電極的接口。(a)蝗蟲的后胸腔，暴露出后胸神經(jīng)節(jié)和神經(jīng)。(b)神經(jīng)刺激引起的后腿運動。(c)超過10個刺激脈沖的腿部角度。(d-f)電極插入順序。將展開的袖帶電極放置在神經(jīng)旁邊。在與電解質(zhì)接觸時，超吸收性聚合物溶脹，導致基底折疊并隨后包裹神經(jīng)。在完全折疊之后，Au電極與神經(jīng)接觸，并且可以用于記錄和刺激。(g-i)通過調(diào)整打印參數(shù)，可以調(diào)整電極的打開力，將電極從蝗蟲上拔下，而不會使神經(jīng)斷裂。只需通過饋線即可拉動電極。袖套打開并釋放神經(jīng)，之后迅速回到閉合位置。

盡管該方法已經(jīng)證明該4D打印柔性電極可以極大地簡化了外科醫(yī)生的神經(jīng)接口操作，并記錄了次級微小神經(jīng)產(chǎn)生的電生理信號。但用于制造電極的柔性樹脂材料的生物相容性未得到廣泛測試，該柔性樹脂材料能否在體內(nèi)進行長期監(jiān)測尚未得到證明。在未來，可以通過對小型哺乳動物體內(nèi)植入該柔性可折疊電極進行長期生物相容性分析，包括評估異物反應和材料穩(wěn)定性。

參考文獻：
Hiendlmeier, L., Zurita, F., Vogel, J., Del Duca, F., Al Boustani, G., Peng, H., Kopic, I., Nikić, M., F. Teshima, T., Wolfrum, B., 4D-Printed Soft and Stretchable Self-Folding Cuff Electrodes for Small-Nerve Interfacing. Adv. Mater. 2023, 35, 2210206.https://doi.org/10.1002/adma.202210206