清華新聞網(wǎng)6月19日電 近日，清華大學化學系張瑩瑩課題組基于直寫式3D打印過程中二維納米材料的非對稱自組裝現(xiàn)象，實現(xiàn)了超可拉伸彈簧狀離子神經(jīng)電極的構(gòu)建。該研究成果以“基于含有定向自組裝納米片微帶的高可拉伸離子神經(jīng)電極”（Microribbons composed of directionally self-assemblednanoflakes as highly stretchable ionicneural electrodes）為題發(fā)表在《美國科學院院刊》（PNAS）上。
外周神經(jīng)信號收集及電刺激在治療神經(jīng)相關(guān)的疾病（如神經(jīng)麻痹、癲癇、帕金森氏綜合征及脊髓損傷）方面具有重要的臨床應用價值。傳統(tǒng)的神經(jīng)電極通常由硬質(zhì)的金屬或金屬氧化物（彈性模量約100GPa）制成，它們與柔軟、動態(tài)的生物組織（彈性模量約100KPa）之間存在著極大的機械特征和幾何結(jié)構(gòu)上的不匹配性。這些差異不僅會降低信號的質(zhì)量，而且可能造成神經(jīng)束的不可逆損傷。另外，神經(jīng)組織主要通過離子傳導信號，而傳統(tǒng)電極通過電子傳導信號，這將導致在電極與神經(jīng)組織的界面發(fā)生電化學反應，由此而導致的有害物質(zhì)的產(chǎn)生、環(huán)境pH值的變化或局部熱量將破壞神經(jīng)界面的微環(huán)境平衡，從而危害組織的健康。
該研究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鈉水溶液。研究者觀察到，墨水中的二維材料在打印成型的過程會經(jīng)歷一個非對稱自組裝過程，從而使打印所得的條帶呈現(xiàn)梯度微觀結(jié)構(gòu)變化。該結(jié)構(gòu)與某些天然生物組織（如松果、豆莢、麥芒）中的微觀結(jié)構(gòu)具有相似性。然后，通過交聯(lián)防止該材料遇水再次溶解。由于材料中獨特的梯度結(jié)構(gòu)變化，其在放入水中可自發(fā)變形成彈簧狀結(jié)構(gòu)。所得結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的彈性和優(yōu)良的離子傳導性，與柔軟、動態(tài)和呈現(xiàn)離子傳導特征的生物組織具有良好的匹配性，從而可用作高效的超可拉伸離子傳導神經(jīng)電極。
直寫式3D打印過程中氧化石墨烯片的非對稱自組裝
由于氧化石墨烯取向結(jié)構(gòu)的梯度變化，所打印條帶中放入水中時會產(chǎn)生彎曲力矩并自發(fā)形成超可拉伸彈簧狀結(jié)構(gòu)。
彈簧狀離子傳導神經(jīng)電極用于神經(jīng)信號收集和神經(jīng)電刺激，并將其性能與傳統(tǒng)金屬鉑電極進行對比。
將該彈簧狀離子電極與牛蛙的坐骨神經(jīng)相連，進行了神經(jīng)信號記錄和神經(jīng)電刺激。從圖中可以看到，與傳統(tǒng)的硬質(zhì)Pt電極相比，該離子神經(jīng)電極所采集的神經(jīng)電信號具有更高的高信噪比，同時也避免了傳統(tǒng)金屬電極可能導致的有害電化學反應和不可逆機械損傷。這些結(jié)果展示了用3D打印的方法所得到的高可拉伸離子傳導結(jié)構(gòu)在神經(jīng)電極方面的應用價值。
文章的通訊作者是清華大學化學系副教授張瑩瑩，第一作者是化學系博士生張明超。參與該工作的合作者有清華大學醫(yī)學院教授劉靜和博士生國瑞、北京航空航天大學化學院陳科博士、北京大學牛佳莉博士以及德國馬普所智能系統(tǒng)研究所教授梅廷·斯蒂（Metin Sitti）等。
原文鏈接：
https://www.pnas.org/content/early/2020/06/11/2003079117
供稿：化學系
編輯：李華山 李晨暉
審核：程曦
