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。


近日，美国纽约州立大学宾汉姆顿分校饶思圆和汪前彬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±13µm）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。相关研究以“Anisotropic hydrogel microelectrodes for intraspinal neural recordings in vivo”为题发表在《Nature Communications》上。

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

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

图3小鼠在体肌电信号记录

图4小鼠在体脊髓内腹角运动神经元的电生理信号记录

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。