AM|达特茅斯团队:多功能弹性神经电子纳米网格

美国达特茅斯学院方辉课题组开创性地提出了一种新型弹性神经电子学方法——基于多功能弹性纳米网格（Nanomesh）的神经电子学。这项创新方法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。

研究团队成功实现了细胞分辨率和高密度弹性微电极阵列，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）

研究背景介绍

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。

图1.多功能纳米网格的示意图

该纳米网格结构设计使弹性微电极能够达到细胞级记录分辨率，并具有以下优点：

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）；微电极阵列的阻抗直方图（中）；应变为 40% 的纳米网弹性微电极的 SEM 图像（右）

由于能够实现细胞分辨率电极和缩放互连，团队制备出多达 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 µm，或 314 µm²）和低阻抗（图2右）。这种低阻抗也与主流先进的神经电极相媲美；纳米网弹性阵列（电极位置面积：20 × 20 µm²）上所有 256 个神经电极的阻抗直方图显示，在 1 kHz 时平均阻抗为 200 kΩ的通道数占据总通道数90.6%。

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所示模型由5 µm PDMS、300 nm 聚对二甲苯-C 和60 nm Au 组成，对PDMS 施加5%的应变，顶层金层的应变分布表明，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 通道纳米网格弹性电极阵列在 30% 应变下的循环拉伸测试结果（左）在 57 °C 的 PBS（pH 7.4）中浸泡后，代表性弹性电极（N = 5）的平均和归一化阻抗，电极部位面积为 314 µm 2，随周数变化（右）

其次，PDMS 兼容性和设备弹性高度可靠，通过使阵列承受 30% 的应变长达100万次循环得到验证（图4）。该机械测试表明没有显著的屈服或阻抗变化。实验进一步对纳米网格弹性电极（N= 5）进行了加速浸泡测试，浸泡在 0.01M浓度的磷酸盐缓冲溶液 (PBS)（pH 为 7.4）中，温度为 57 °C，浸泡测试时间为 4 周，相当于在 37 °C 下浸泡 16 周，假设加速老化系数 Q10 为 2（图4）。在整个测试过程中，我们监测了阻抗，发现其变化很小，显微镜检查未发现任何薄膜分层的情况。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 溶液中一段时间后测量阻抗。在 57°C 的 7 天浸泡期内，阻抗保持稳定，基于加速老化因子 (Q10) 为 2，相当于在 37°C 下浸泡 28 天。在这些测试期间，我们观察到阻抗变化可以忽略不计，显微镜检查时未发现任何薄膜分层的情况，这些对电极缩放的研究强调了纳米网格弹性电极的可预测性能，从而可以轻松实现不同神经接口应用的生物电子设计。

研究结果

实验团队成功实现了对小鼠背根神经节L4 Dorsal Root Ganglion（DRG）硬膜外表面单神经元动作电位的记录（如图5），证明了纳米网格弹性神经电子在微创神经接口应用中的潜力。

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）

该研究的另一个重点是研究电极尺寸与单神经元记录性能之间的关系（图6）。传统观点认为，在脑电记录中，小于 20 微米的电极可以用于单个细胞活动检测。然而，对于弯曲表面（如小鼠 L4 DRG）的电极尺寸影响的研究还比较缺乏。为了解决这个问题，研究者们植入了带有四种不同电极尺寸（20-400 微米）的 16 通道纳米网格，并在小鼠 L4 DRG 表面记录了电生理信号。研究结果显示，所有尺寸的电极都能够捕获诱发出的多单位活动和复合动作电位。

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）以及 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）

取得结论如下：

1.高密度弹性纳米网格展现出优异的柔顺性和记录能力，成功记录了单细胞动作电位，揭示了硬膜外DRG表面神经元活动的时空动态。这种微电极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（图7）。

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

3.通过分析不同尺寸电极记录到的信号数据，研究者们绘制了峰值信噪比 (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，研究者们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。

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）

研究结果分析

研究人员采用双层纳米网格结构，在PDMS基底上制备出细胞分辨率的弹性微电极阵列。在小鼠背根神经节的单细胞记录中，该弹性神经电子设备在信噪比、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（左示意图）；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），弹性纳米网格阵列具有多种优势：

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。这一特性避免了固态阵列与神经组织接触不良导致的信号损失。

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)，有助于研究神经元在不同时间和位置的活动规律。

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。这对于研究疼痛机制、疼痛管理和神经疾病治疗具有重要意义。

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。

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。

关于实验团队：

达特茅斯学院多功能集成神经电子实验室(MINE Lab)致力于纳米材料与神经界面创新研究，为解决神经电子领域面临的重大挑战提供可扩展、多功能的解决方案。团队研究领域跨越多学科，研究方向包括神经接口、电子材料和电活性有机体。侧重开发可扩展的神经接口设备，以促进人机交互和生物医学的进步。

关键性文献

1.P. Lacour, G. Courtine, J. Guck,Nat. Rev. Mater.2016,1, 16063.

2.A. Rogers, T. Someya, Y. Huang,Science.2010,327, 1603.

3.Jiang, N. Chen, Z. Yi, J. Zhong, F. Zhang, S. Ji, R. Liao, Y. Wang, H. Li, Z. Liu,Nat. Electron.2022,5, 784.

Reference：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202403141（DOI: 10.1002/adma.202403141）

供稿人：TY Bai