摘要：基于柔性纤维的微电极允许对电活性细胞和组织进行安全和长期的研究和调节。与平面电极相比，它们提高了靶向精度，同时最大限度地减少了装置-组织机械不匹配的副作用。然而，当前的制造方法面临可扩展性、可再现性和处理挑战，阻碍了大规模部署。此外，只有少数设计能够记录理解复杂生物系统并与之互动所必需的电和生化信号。在这项研究中，我们提出了一种方法，该方法利用MXenes(一种不同的二维纳米材料)的导电性和易加工性，以快速(高达15 mm/s)将MXene涂层连续涂覆到商用尼龙丝(直径为30-300微米)上，实现低于10ω/cm的线性电阻。然后将MXene涂覆的细丝批量加工成自立式纤维微电极，即使在打结时也具有优异的柔韧性、耐久性和一致的性能。我们展示了这些纤维电极的电化学性质及其过氧化氢(H2O2)感测能力，并展示了它们在体内(啮齿动物)和离体(膀胱组织)的应用。这种可扩展的工艺制造了高性能微纤维电极，可以轻松定制并部署在各种生物电子监控和刺激研究中，有助于更深入地了解健康和疾病。


引言


与其他几何形状的电极相比，纤维形电极提供了更高的空间和时间分辨率，因为它们靠近目标生物细胞。小电极直径(D)可降低插入阻力和相关损害。它显著降低了弯曲刚度K∝D4，从而减少了组织损伤和信号损失，这对于长期植入至关重要。此外，与具有固定设备配置的平面电极不同，微纤维电极具有更大的灵活性和更少的几何约束。它们可以插入或包裹不同几何形状的目标组织，甚至可以作为单个电极或电极束放置在细胞之间。这种多功能性使它们适用于各种情况。最近，热拉伸已成为制造多功能神经探针的一种强大方法。然而，这种工艺对材料选择造成了限制，并面临着将直径减小到100微米以下的挑战。此外，缓慢的生产速度使热拉伸难以满足生物界面的大规模和多模态要求。MXenes的易加工性和多功能性为制造高性能纤维状电极提供了一种替代的流水线工艺。


在这里，作者提出了一种快速、可扩展和通用的浸涂技术，用于制造导电和柔性的Ti3C2Tx微纤维电极，这些电极可以很容易地定制用于各种生物研究。这种方法生产的MXene涂层纤维具有可调的机械、电气和电化学性能，具有精确和可重复的均匀MXene涂层。这些品质在以前的MXene纤维涂层研究中是无法达到的。此外，我们在浸涂过程中利用MXene溶液弯月面中的剪切力，使MXene薄片沿着单根尼龙丝的表面排列并共形涂覆，这是一种尚未用于MXene纤维涂层的策略。这实现了低线性电阻(低至9.3±1.1ω/cm)，即使在高拉伸速度下(高达15 mm/s)。这些涂有MXene的细丝可以有效地批量制造成纤维电极阵列，用聚对二甲苯C的绝缘层封装，并且在用于电记录、刺激和H2O2感测时仅在尖端暴露。MXene纤维微电极表现出优异的打结性和便于操作和植入的良好机械性能。我们在大鼠神经和肌肉体内以及离体膀胱组织中证明了这些制作简单的多功能纤维电极的多功能性。这些纤维微电极为各种生物应用提供了经济、耐用和用户友好的小型化平台。


研究报告


1.MXene使能的微纤维电极制造：


在这项研究中，作者利用MXenes和尼龙的优点，用浸涂法制作了柔性纤维状微电极。尼龙丝因其重量轻、耐化学性高、机械耐久性和成本效益而被选为基材。此外，尼龙丝是美国食品和药物管理局(FDA)批准用于医疗器械的材料，如永久性缝合线、导管和牙科植入物。尼龙纤维是通过熔融纺丝以连续方式生产的。尼龙上的正电荷导致带负电荷的MXene牢固结合。如果应用连续的MXene涂层，它可以使电子沿着细丝的整个长度传导。选择不同直径的圆形尼龙丝进行概念验证研究，以简化动态弯月面中的MXene/底物相互作用，并确保与生物电子学中当前的纤维微电极探针具有可比性。通过混酸法制备了平均粒径为1微米的单层Ti3C2Tx薄片。使用紫外可见光谱和X射线衍射(XRD)分析证实了合成的成功。Ti3C2Tx薄片上大量带负电荷的官能团(如-F、-CI、-OH)会在水中产生较大的负ζ电位(50 mV),使其能够形成稳定的溶液，用于浸涂，无需任何表面活性剂或添加剂。此外，通过调节MXene薄片的尺寸和/或浓度，可以在很宽的范围内调节溶液的流变性，消除了对流变稀释剂和增稠剂的需要。MXene涂层细丝可根据其特性进行选择，切割成预期应用所需的长度，并用10微米厚的聚对二甲苯C层进行封装(图1b)。聚对二甲苯是一种美国药典(USP)VI类聚合物，广泛用作慢性医疗设备的生物相容性封装材料。由于其阻隔性能、柔韧性和可加工性，聚对二甲苯已成为生物电子学的常用基材和钝化层。一旦在尖端切割封装纤维，就会暴露出可控量的MXene，从而提供易于处理和可再现结果的优势(图1c)。与由其他材料制成的微纤维电极(例如，需要大量抛光的脆性碳纤维)相比，这代表着电极制造和部署过程的显著简化。这些电极可以生产成不同的长度，以在体内、体外或离体研究各种规模的生物系统，从细胞(∼10-20微米)、类器官(∼1-5mm)和组织(>1 cm)到大脑和肌肉(图1d)。

Fig1纤维电极制造和潜在应用示意图。(a)由尼龙长丝穿过单层MXene薄片分散体组成的浸涂工艺示意图。在此过程中，MXene薄片通过弯月面中存在的剪切力在轴向上排列。(b)尼龙丝、MXene涂层尼龙丝和Parylene涂层电极的示意图和数码照片。(c)切割电极的示意图，MXene涂层的横截面暴露在外，以及它们在这项工作中表现出的能力。(MXene电极在各种生物系统中的潜在应用，包括细胞、类器官、大脑和肌肉。


2.坐骨神经的在体电记录和刺激：


在这项研究中，作者对不同直径(300、100和28微米)的MXene电极进行了计时电位测定。所有电极都以15 mm/s的速度涂有110 mg/mL的MXene，每种尺寸制备一组3个电极。作者描绘了阴极电位偏移Ec和增加的注入阴极电流幅度之间的关系，揭示了平均Ec随着电极直径的减小而减小(图2a，b)。随着电极直径的减小，对应于阴极极限处E mc的电流计算为642.2±101.2、108.2±30.9和2.32±1.05μA，分别转换为321.1±50.6、54.1±15.4和1.16±0.53 nC的最大阴极电荷(图2c)。这表明，较厚的电极可以承受更大的电流，使它们能够在需要时向目标组织或细胞传递更多电荷，以引起响应。与CICc与电极面积的既定比例相一致，100个微米电极的CICc为39.0±11.1 mC/cm2，而300个微米电极的CICc为18.8±3.0 mC/cm2。这归因于较小的电极有助于更快的离子扩散，且不容易出现不均匀的电流分布，这被称为边缘效应。将MXene电极与其他材料制成的电极进行比较，MXene电极的CICc明显更高。这可以归因于环形有源区，这再次减轻了圆形横截面中的不均匀电流分布问题。此外，堆叠的MXene薄片中的狭缝可能有助于电解质的芯吸，从而扩大与电解质接触的实际表面积。


然后，作者评估了MXene纤维微电极在体内电生理学研究中的性能。这里，作者将MXene纤维电极的双极组件放置在大鼠的坐骨神经上，用于传递刺激电流脉冲(图2d)。一个独立的MXene纤维电极被放置在胫骨前肌的顶部，以记录诱发的肌电图(EMG)活动。通过一对300微米MXene电极在坐骨神经上施加200μA的刺激电流脉冲后，成功记录了诱发肌电图(图2e)。由MXene电极记录的诱发EMG的SNR对于100和300微米MXene微纤维分别为15.20±0.32和13.92±0.53 dB。增加坐骨神经上刺激电流的幅度导致诱发肌电图的峰-峰幅度增加，直到达到最大募集(图2e)。注意到，对于100和300微米MXene纤维电极，分别用50和75μA电流脉冲观察到最大募集。这是在电流幅度远低于100和300微米MXene电极所允许的最大幅度(分别为642.2±101.2和108.2±30.9μA)时实现的。作者将MXene微纤维的刺激和记录能力分别与市售的钨(W)和不锈钢电极进行了对比。通过双极W电极的刺激遵循与MXene电极相似的趋势，最大募集发生在80μA左右。另一方面，通过不锈钢电极诱发的肌电图记录显示信噪比为19.72±0.52 dB。这些电极的更大SNR可归因于它们更高的电导率和这些电极更大的几何覆盖区，因为不锈钢丝的侧面也暴露于肌肉组织。这提供了用于感测和调节电生理活动的MXene纤维微电极的体内演示。

Fig2 MXene-尼龙微纤维电极可以记录和刺激电生理活动。(a)针对直径为300、100和28微米的110 mg/mL MXene、15 mm/s涂层电极，绘制阴极电位偏移Ec值与注入阴极电流振幅的关系图。MXene电极的阴极电压限值显示为虚线，SD显示为阴影(n=3)。(b)对于28微米直径的电极，在缩放的x轴上绘制相同的图。(c)穿过3种不同尺寸的电极注入的最大电荷(C)。(d)体内刺激和记录实验的示意图，其中一对MXene电极放置在坐骨神经上作为双极刺激电极，另一个MXene电极放置在胫骨前肌的表面上作为记录电极。(e)当使用一对300微米MXene电极以200μA的阴极电流刺激坐骨神经时，300微米MXene电极记录的胫骨前肌的代表性诱发肌电图(EMG)电位。灰色曲线表示单个脉冲(n=10)，紫色曲线表示单个轨迹的平均值。(f)使用100和300微米MXene微电极测量的作为刺激电流幅度函数的峰-峰诱发肌电图。


3.总结


在这项研究中，作者介绍了一种使用Ti3C2Tx MXene快速制备多功能微纤维电极的高通量方法。在高速涂布过程中使用剪切力使得能够采用浓度高达110 mg/mL的粘性MXene分散体。通过这种方法，MXene薄片被有效地排列，以在最小MXene消耗下在单次通过后产生具有10ω/cm的低电阻(电导率为7093 819 S/cm)的涂层。这种创新的工艺开发出了可靠、耐用、低成本的Ti3C2Tx微纤维电极，不含添加剂和集电器。此外，通过调整MXene浓度、细丝直径和涂覆速度，作者的适应性方法有助于轻松定制电极的电气、机械和电化学特性。这些电极表现出多功能性，能够实现双向电通信和H2O2检测，通过体内和体外研究进行了验证。此外，电极可以有效地进行高密度和多模式阵列的复用，并与其他研究技术(如MRI和光学刺激)集成。还可以设想在可穿戴电子设备中的应用，其中需要纤维形状的集电器或电极。