Adv. Mater.：达特茅斯学院开创细胞分辨率的高密度弹性神经电子纳米网格

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为了克服上述限制，美国达特茅斯学院方辉课题组近日在顶级材料学学术期刊Advanced Materials上发表了重大研究成果，团队成功研发了一种新型高密度弹性电子纳米网格，利用聚二甲基硅氧烷（PDMS）制备可靠的弹性微电极，为下一代神经接口技术的突破奠定了坚实基础。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。该方法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，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。该研究成果为下一代神经接口技术的研发奠定了坚实基础，有望推动脑机接口、神经修复等领域取得重大进展。

研究方法

这种多功能纳米网格结构由三层薄膜材料组成（如图一）：底层采用厚度100-500纳米的聚对二甲苯（Parylene-C）提供机械缓冲，以防止薄膜电子材料开裂。中间层利用厚度20-100纳米金层作为电传导（Au）。最上层为厚度25-107纳米的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸盐)（PEDOT:PSS），用来提供低阻抗的电化学界面。

图1.多功能纳米网格示意图

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：得益于Parylene-C 的机械缓冲性，纳米网格结构赋予了弹性微电极卓越的柔韧性，使其能够紧密贴合生物组织表面，即使是形状复杂、不规则的组织，也能轻松适应。这种柔韧性克服了传统硅胶基弹性神经电子学的刚性限制，使得弹性微电极能够与生物组织更好地融合，获取更加精准、可靠的神经信号。

2.高导电性：Au 层的优异导电性确保了弹性微电极的低电阻率，有效降低了信号传输过程中的损耗，提高了信号传输效率。这对于捕捉快速变化的神经信号至关重要，为神经科学研究和神经疾病治疗提供更加精准的数据支撑。

3.高电化学活性：PEDOT:PSS 层作为电化学活性材料，增强了弹性微电极与生物组织的电化学界面，显著提高了信号采集灵敏度。这意味着弹性微电极能够捕捉到更加微弱的神经信号，为研究神经系统的细微变化提供新视角。

图2. 256 通道纳米网格微阵列图像（左）；40% 应变下的纳米网格微电极的扫描电镜（ SEM） 图像（中）；微电极阵列的阻抗直方图（右）

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），实现了细胞分辨率电极和缩放互连的突破。这一成果克服了传统PDMS或水凝胶基底微电极阵列密度低的局限性，为高密度神经信号采集奠定了坚实基础。传统PDMS或水凝胶基底微电极阵列通常受限于电极面积大、密度低的瓶颈。多功能纳米网格方法使弹性神经电子学实现了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，纳米网格阵列保持了细胞级电极部位面积（直径小至20 µm，或314 µm²）和低阻抗的优势。纳米网格弹性阵列的低阻抗与主流先进的神经电极相媲美，确保了高灵敏度的神经信号采集。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（上）；多功能纳米网的组成薄膜的分解视图（下）

图3展示了纳米网格弹性微电极的应变分布模拟结果。模型由5 µm PDMS、300 nm Parylene-C 和60 nm Au 组成，对PDMS施加5%的应变。模拟结果表明，顶层金层的应变分布明显低于基底的整体变形。这表明纳米网格结构赋予了弹性微电极卓越的柔韧性。得益于这种柔韧性，弹性微电极能够紧密贴合生物组织，即使在组织变形的情况下也能保持稳定的电极-组织界面，确保高品质的神经信号采集。

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（上）；代表性纳米网格电极（N = 5）在314平方微米电极面积下的平均和归一化阻抗，在 57 °C 的 PBS（pH 7.4）中浸泡后随周数变化的函数图（下）

为了验证器件自身弹性及与PDMS兼容性，研究人员对制备出的纳米网格弹性电极进行了严格的测试。测试结果表明，该电极能够承受30%的应变长达100万次循环，且电极阻抗和机械性能没有明显变化（图4左）。

此外，研究人员还对电极进行了加速浸泡测试，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。这相当于在37°C下浸泡16周，假设加速老化因子Q10为2（图4右）。测试结果显示，浸泡过程中电极阻抗变化极小，显微镜检查也未发现任何薄膜分层现象。

研究还验证了Parylene-C&PDMS和Parylene-C&金属界面的可靠性。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，电极阻抗保持稳定，这相当于在37°C浸泡28天。在此期间，电极阻抗变化可以忽略不计，显微镜检查也未发现任何薄膜分层现象。这些测试结果表明，纳米网格弹性电极具有可预测的性能和高可靠性，使其成为神经接口应用中生物电子设计的理想选择。

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：

（1）高密度弹性纳米网格成功记录了小鼠背根神经节（DRG）表面单细胞动作电位（图7），揭示了硬膜外DRG表面神经元活动的时空动态。该微电极阵列能够有效捕捉亚毫秒级的动作电位动态，为研究神经活动提供了高分辨率的数据，具有重要意义。

（2）揭示了 LFP(Local field potential) 功率与尖峰放电之间的关系：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。

（3）通过分析不同尺寸电极记录到的信号数据，研究人员绘制了峰值信噪比（SSNR）、信号幅度和噪声幅度与微电极直径之间的关系图。结果表明，直径小于40微米的电极表现最佳，拥有最高的峰值信噪比和最可靠的峰值分类结果。这一发现与神经生物学相一致，因为DRG神经元的细胞体大小不一。电极尺寸与细胞尺寸相近可以确保电极靠近目标神经元，避免使用较大电极导致的信号平均效应。由于小鼠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改善对DRG表面电生理时空动态的研究，可为设计高密度神经接口阵列提供了重要依据。

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 表面自适形性高（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”） 突破了传统神经电极材料和制备工艺的局限。这种薄膜制备工艺方面具有高度可靠性和出色的可扩展性。器件通过严格的加速浸泡测试与循环拉伸测试，展示与曲线状表皮细胞和柔软组织有效接口的潜力和记录能力。研究建立了电极尺寸与 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，证实了这种纳米网格能够有效地记录单单位动作电位并揭示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。

该器件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，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，有望推动对感觉神经编码群体神经动态的理解，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。此外，纳米网格的概念和技术方法还可应用于弹性电子学领域，具有广阔的应用前景。总而言之，多功能弹性纳米网格为神经科学研究和神经接口技术带来了变革性突破，有望引领神经科学和生物医学领域的新发展。

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