宾汉姆顿大学饶思圆/汪前彬《自然·通讯》:可被训练的水凝胶电极

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-02-05 08:00

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北京时间1月28日，美国纽约州立大学宾汉姆顿分校饶思圆实验室和汪前彬实验室在《自然通讯》（Nature Communications）发表了题为“Anisotropic hydrogel microelectrodes for intraspinal neural recordings in vivo”的研究论文。

柔性材料在运动自适应神经接口的研究中发挥了重要作用，使使其在体内应用于神经调控和电生理信号记录，尤其是在脊髓和周边神经等经历复杂活动的组织中。然而传统电极因其机械性能与脆弱的神经组织不匹配，常导致组织损伤，限制了在自由运动条件下稳定记录深层神经信号的能力。因此，需要一种能够适应运动的柔性材料神经接口，以在自然运动中减少神经损伤并能稳定获取生理信号。

在体内复杂的运动条件下，研究者需要寻求耐久且适应运动的神经界面工具，继而研究动态组织及其神经活动。在此篇研究论文中，研究人员受纳米导电材料在聚合物基质中重排特性的启发，将具有高纵横比的导电碳纳米管引入到半结晶聚乙烯醇PVA水凝胶中，通过循环拉伸过程构建了具有各向异性的导电路径，从而优化了导电水凝胶性能。实验制备的各向异性导电水凝胶电极（直径 187 ± 13 µm）在 20% 应变条件下经过 20,000 次循环拉伸后仍保持优异的机械稳定性和较高的拉伸性能（64.5 ± 7.9%），同时具有较低的电化学阻抗（在 1 kHz 频率下，1 cm² 的电极阻抗为 33.20 ± 9.27 kΩ）。实验观察到纳米填料在轴向上的重构与对齐现象，并在循环拉伸方向上出现了阻抗的各向异性下降。这些结果表明，该水凝胶纤维在长期应变条件下仍保持稳定导电性能，适用于动态组织环境下的神经接口应用。

研究者开发了穿透性软微电极能够更精确地访问深层神经组织，减少组织损伤，并实现长期在位的电生理信号记录。通过在交联聚乙烯醇（Polyvinyl alcohol, PVA）水凝胶基质中嵌入导电碳纳米管（Carbon nanotubes, CNTs），赋予PVA水凝胶在复杂机械环境下的稳定导电性、低弹性模量、高抗疲劳性和优良的生物相容性。为验证CNTs-PVA水凝胶柔性电子器件的导电性和稳定性，作者在自由活动状态下的小鼠中成功记录了肌电信号。此外，该生物柔性电子器件还能在小鼠脊髓内腹角运动神经元（ventral horn motor neuron）中，连续记录长达8个月的自发电生理信号，充分证明了其在长期神经监测中的潜在应用价值。

图1基于张力增强各向异性纳米取向（Tension Reinforcement for Anisotropic Nano-orientation, TRAIN）策略：用于提高水凝胶电极的导电性能

水凝胶中的聚合物纳米晶体结构能够提供持久的弹性基质，而纳米导电材料通过重构和重新排列形成各向异性的导电网络，从而在拉伸条件下保持稳定的导电性能。在本研究中，研究人员验证了将导电碳纳米管引入PVA水凝胶后，经过超过5000次的循环拉伸，水凝胶的阻抗显著降低，并在拉伸5000次后趋于稳定。这一结果表明，该材料在复杂机械环境中具备优异的导电稳定性和耐久性。

图2基于张力增强各向异性纳米取向（Tension Reinforcement for Anisotropic Nano-orientation, TRAIN）策略的机理研究

通过增强拉曼散射（Stimulated Raman Scattering, SRS）光谱检测，研究人员在 1596 cm⁻¹ 处检测到导电碳纳米管的特征峰（G-band）。SRS 显微图像显示，在 20% 应变条件下经过 10,000 次循环拉伸后，PVA 水凝胶中的碳纳米管沿拉伸轴方向发生了优先排列。这一重新排列现象与未经循环拉伸的 CNTs-PVA 水凝胶中随机取向的分布形成了鲜明对比。此外，研究人员还测试了 CNTs-PVA 水凝胶在不同循环拉伸次数后的杨氏模量和拉伸性能。结果表明，经过 10,000 次拉伸后，CNTs-PVA 水凝胶表现出较低的杨氏模量和较高的拉伸性能，表明其在反复应变条件下具有良好的机械稳定性和柔性。

图3小鼠在体肌电信号记录

为验证 CNTs-PVA 水凝胶电极在自由活动生物体内的导电稳定性和运动自适应性，研究人员使用跑轮测试（Voluntary Wheel Running Tests, VWRTs）测试制备的水凝胶微电极，采集了小鼠的肌电（EMG）信号。术后恢复三天后，研究人员对比了植入组和假手术对照组在步态运动学上的差异，结果显示，两组在摆动相和支撑相的步态参数中没有显著差异，这表明手术植入物不会对小鼠的基本步态功能造成不利影响。在水凝胶微电极植入并稳定一周后，研究人员在小鼠自由活动时，同时从胫骨前肌（Tibialis anterior, TA）和腓肠肌（Gastrocnemius, GS）记录了肌电信号。通过将 EMG 信号与运动行为同步分析，研究人员观察到 TA 和 GS 肌肉活动的交替信号。这一现象与以往使用传统电极进行 EMG 记录的结果一致，进一步证明了水凝胶电极在复杂运动条件下的有效性和可靠性。

图4小鼠在体脊髓内腹角运动神经元的电生理信号记录

随后，研究人员评估了水凝胶微电极在脊髓区域中长期检测神经活动的功能。通过将由三根水凝胶微电极组成的生物电子探针植入小鼠腰椎第 3 段（Lumbar 3, L3）脊髓腹角区域，研究人员在麻醉和清醒状态下成功记录到了自发神经电位尖峰。此外，研究发现，植入的水凝胶微电极在术后 8 个月内仍能够稳定地采集小鼠脊髓中的神经活动。在小鼠自由活动时，记录到运动过程中出现的大幅度突发电位尖峰，以及较低幅度的自发神经电位尖峰。这一现象表明，CNTs-PVA 水凝胶电极在体内复杂的动态环境中表现出良好的适应性和稳定性。

相比传统的脊髓表面硬膜外记录设备，探针型或其他穿透性微电极能够以更高精度探测脊髓深层结构。然而，复杂的运动模式和脆弱的脊髓组织对软性神经接口材料的设计提出了更高要求，需要进一步优化以尽量减少运动引起的组织损伤，并有效抑制运动带来的噪声信号。抗疲劳的柔性水凝胶因其优异的材料-组织机械匹配性和可拉伸性，在运动自适应性方面展现出显著优势。

除了柔顺的接口设计，增强的各向异性导电网络能够维持稳定的界面阻抗和一致的导电路径，从而在动态环境下可靠地采集电生理信号。此外，这类软生物电子器件能够最大程度减少对实验动物自然行为的干扰。在行为测试中，集成式生物电子器件可同步记录肌肉和神经系统不同部位的活动，从而建立神经-肌肉回路的直接关联。这项技术为神经调控与行为研究提供了新的可能性和更高的精确度。

这项工作的第一作者为纽约州立大学宾汉顿分校黄思喆，通讯作者为纽约州立大学宾汉顿分校饶思圆和汪前彬教授。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-56450-4

来源：高分子科学前沿

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