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清华大学张莹莹课题组《PNAS》:3D打印制备超可拉伸离子神经电极

外周神经信号收集及电刺激在治疗神经相关的疾病(如神经麻痹、癫痫、帕金森氏综合征及脊髓损伤)方面具有重要的临床应用价值。传统的神经电极通常由硬质的金属或金属氧化物(弹性模量约100 GPa)制成,它们与柔软、动态的生物组织(弹性模量约100 KPa)之间存在着极大的机械特征和几何结构上的不匹配性。这些差异不仅会降低信号的质量,而且可能造成神经束的不可逆损伤。另外,神经组织主要通过离子传导信号,而传统电极通过电子传导信号,这将导致在电极与神经组织的界面发生电化学反应,由此而导致的有害物质的产生、环境pH值的变化或局部热量将破坏神经界面的微环境平衡,从而危害组织的健康。

近日,清华大学化学系张莹莹课题组基于直写式3D打印过程中二维纳米材料的非对称自组装现象实现了超可拉伸弹簧状离子神经电极的构建。该工作所用的打印墨水是分散有氧化石墨烯片的具有黏性的海藻酸钠水溶液。研究者观察到,墨水中的二维材料在打印成型的过程会经历一个非对称自组装过程,从而使打印所得的条带呈现梯度微观结构变化。该结构与某些天然生物组织(如松果、豆荚、麦芒)中的微观结构具有相似性。然后,通过交联防止该材料遇水再次溶解。由于材料中独特的梯度结构变化,其在放入水中可自发变形成弹簧状结构。所得结构具有优异的弹性和优良的离子传导性,与柔软、动态和呈现离子传导特征的生物组织具有良好的匹配性,从而可用作高效的超可拉伸离子传导神经电极。该工作以“Microribbons composed of directionally self-assembled nanoflakes as highly stretchable ionic neural electrodes”为题发表在PNAS(Proc Natl Acad Sci USA)上,第一作者是清华大学博士生张明超。

1. 3D打印过程中二维材料的非对称自组装现象

图1. 直写式3D打印过程中氧化石墨烯片的非对称自组装。

黏性海藻酸钠基体中的氧化石墨烯片在打印过程中经历了一个非对称自组装过程(图1)。由于挤出过程中强大的剪切作用力,墨水中的氧化石墨烯片会沿轴向定向排列。另外,从针头挤出时,高黏性墨水会发生显著的挤出膨胀现象,径向剪切流将驱动氧化石墨烯片沿径向定向排列(从挤出所得纤维的横截面上可观察到氧化石墨烯片沿径向排列,图1Bii)。进而,挤出纤维在基底上沉积,其靠近基底部分中的氧化石墨烯片由于基底的限制而逐渐躺平从而平行与基底排列(Planar alignment);而远离基底部分中的氧化石墨烯片由于在水分逐渐蒸发的过程中体系粘度的进一步增大而难以发生重新取向,使得最初的垂面取向(Homeotropic alignment)得以保持,从而形成了具有梯度取向变化的自组装结构。

2. 3D打印过程梯度微观结构的可控调节

图2. 通过调变打印浆料的流变性和调控打印基底的温度调控微观结构的梯度变化。

上述梯度取向的变化程度可通过调节打印墨水的流变性能或者调节打印基底的温度进行调控(图2)。当浆料中含水量较高时,粘度较低,反之,粘度较高。当采用低粘度浆料进行打印时,所得到的结构的氧化石墨烯几乎全部平行于基底取向排列;而当采用高粘度浆料进行打印时,由于高粘度将限制氧化石墨烯片的重新定向,从而所得结构中的氧化石墨烯出现了垂面排列的取向结构。另外,改变打印基底的温度是一种影响粘度的简便方法,温度升高将提高墨水中水分的蒸发速率,从而加速粘度的提高,抑制氧化石墨烯片的重新定向,因此在较高温度的基底上打印时将得到更多沿垂面排列的氧化石墨烯取向结构。氧化石墨烯取向结构的不同将使条带具有局域空间不同的力学性质。

3. 超可拉伸弹簧状离子传导条带的形成与微观机制

由于所打印条带中氧化石墨烯取向结构的梯度变化,该条带放入水中时,由于上下部分遇水后膨胀方向的不同,会产生弯曲力矩,从而自发形成弹簧状结构。通过调控梯度取向变化的程度,可调控所得弹簧结构的结构参数(图3)。

所得弹簧结构中定向平行排列的氧化石墨烯片构成了的典型的纳流道(nanofluidic channel),同时其中氧化石墨烯-海藻酸钠材料中具有高密度的负电荷,因此,正电荷可在纳流道中高效传导。实验表明,在低浓度电解质中该弹簧结构表现出高出电解液几个数量级的离子导电率。此外,由于其高弹性弹簧状结构,该离子导体在高达1000%的应变下,仍能表现稳定的离子传导性能。

图3. 由于氧化石墨烯取向结构的梯度变化,所打印条带中放入水中时会产生弯曲力矩并自发形成超可拉伸弹簧状结构。

4. 超可拉伸离子神经电极应用展示

图4. 弹簧状离子传导神经电极用于神经信号收集和神经电刺激,并将其性能与传统金属铂电极进行对比。

为了展示所得材料在神经电极方面的应用,将该弹簧状离子电极与牛蛙的坐骨神经相连,进行了神经信号记录和神经电刺激(图4)。与传统的硬质和呈现电子传导特征的金属神经电极相比,所制备的超可拉伸离子传导神经电极与柔软、动态、呈现离子传导特征的生物组织具有更好的兼容性。从图中可以看到,与Pt电极相比,该离子神经电极所采集的神经电信号具有更高的高信噪比,同时也避免了传统金属电极可能导致的有害电化学反应和不可逆机械损伤。这些结果展示了用3D打印的方法所得到的高可拉伸离子传导结构在神经电极方面的应用价值。

参与该工作的合作者有清华大学医学院的刘静教授和博士生国瑞、北京航空航天大学化学院的陈科博士、北京大学的牛佳莉博士以及德国马普所智能系统研究所的Metin Sitti教授等。

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