用于微小神經接口的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（3D打�。┓謺�

外周神經接口（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來引發(fā)體內的特定反應。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為目標，通常在毫米范圍內。這種神經包括許多軸突，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，通常包含較少的軸突。因此，可以通過連接小神經來增加刺激和記錄的選擇性。然而，這些神經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接口的4D打印電極，該電極的結構可使其在植入過程中自行折疊到神經套上。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，并在插入設備后作為驅動機構。該電極植入過程易于操作，并具有內在的可拉伸性，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（≈150μm）在體內的可靠接口以及神經信號的成功刺激和記錄。此外，研究結果還表明，電極可以直接取出，不會損傷神經。

為了簡化袖帶電極在微小神經上接合的步驟，研究人員設計了一種雙層結構，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(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）打印這兩層結構。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。該結構與水接觸時，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，有兩種不同的設計。(i) 具有兩個、四個和六個電極的設備。

研究人員連接了蝗蟲的神經，以驗證4D袖套電極的體內性能。神經5（N5）從蝗蟲的后胸神經節(jié)中露出，支配蝗蟲的后腿。它包括許多傳入和傳出神經纖維，包括負責跳躍的神經纖維(圖2a)。它是一條直徑≈150-200μm的小神經，后胸腔內的接口長度通常僅限于幾毫米。這些小尺寸使蝗蟲神經成為在有限空間內顯示小周圍神經接口的絕佳模型。該研究的可折疊袖帶電極只需要靠近神經，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，即可將其與神經分離(圖2g-i)。

圖 2 蝗蟲神經與4D袖套電極的接口。(a)蝗蟲的后胸腔，暴露出后胸神經節(jié)和神經。(b)神經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旁邊。在與電解質接觸時，超吸收性聚合物溶脹，導致基底折疊并隨后包裹神經。在完全折疊之后，Au電極與神經接觸，并且可以用于記錄和刺激。(g-i)通過調整打印參數(shù)，可以調整電極的打開力，將電極從蝗蟲上拔下，而不會使神經斷裂。只需通過饋線即可拉動電極。袖套打開并釋放神經，之后迅速回到閉合位置。

盡管該方法已經證明該4D打印柔性電極可以極大地簡化了外科醫(yī)生的神經接口操作，并記錄了次級微小神經產生的電生理信號。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