周圍神經接口技術在在慢性神經性疼痛、運動障礙、代謝性疾病及假肢的閉環控制等領域展現出巨大潛力。與非侵入性神經接口相比，植入式神經接口能夠直接接觸目標神經單元，實現精確的神經活動記錄與調節。然而，傳統神經袖套技術面臨諸多挑戰，包括植入手術復雜、設備剛性大、易導致神經損傷等問題，亟需創新突破。

近期，劍橋大學工程系研究團隊開發出一種創新型的神經袖套。該神經袖套已通過動物實驗驗證，能在大鼠體內成功與坐骨神經形成穩定的生物電子接口，這顯示其在微創術中實時神經監測和神經信號記錄中的巨大潛力。這一突破性的軟性電化學驅動技術將為神經系統疾病的診斷和治療開辟全新路徑，推動高精度、生物兼容的神經接口設備的廣泛應用。

驅動器設計與制造

驅動器采用聚吡咯 (PPy(DBS)) 作為核心材料，憑借其在電化學刺激下的顯著體積變化，能夠實現精確的形態控制與功能優化。PPy(DBS) 材料的工作機制基于可逆電化學過程：負電壓下，聚合物吸收溶劑化陽離子（如Na+），引發體積膨脹；正電壓則導致陽離子排出，聚合物收縮（圖 1a） 。研究團隊通過電化學沉積技術，將PPy(DBS) 成功沉積在鍍金的聚對二甲苯薄膜上，形成雙層結構。這種結構展現出可控的彎曲能力（圖 1b），實驗結果表明其厚度與電荷量呈線性關系（圖 1c），為未來設計提供了數據支持。

為確保驅動器的穩定性，研究人員采用循環伏安法對其進行預處理，激活材料的電化學性能。在幾次掃描后，設備從平坦狀態逐漸轉變為卷曲形態。結果發現預處理后表面出現了納米顆粒（圖 1d），這表明材料內部發生了電荷轉移與結構變化（圖 1f）。進一步實驗顯示，驅動器在PBS溶液（生理相關環境）的電化學性能顯著提升。見圖1。

Fig1. 電化學驅動器的工作原理、制造和特性分析。a, 示意圖展示了在電化學過程中，PPy(DBS)通過小陽離子（如Na+）的運輸引發的體積變化。b, 在PBS溶液中，PPy(DBS)/Au雙層驅動器的可逆彎曲運動，垂直于薄膜表面來回彎曲。c, 使用恒電流法制備不同厚度的PPy薄膜，厚度與沉積時間呈線性關系。d, 經過NaDBS電化學預處理后的PPy的掃描電子顯微鏡圖像。e, 能量色散X射線光譜對比預處理前后PPy(DBS)薄膜的光譜。f, PPy(DBS)薄膜在預處理前后的Nyquist和Bode幅值及相位角圖。黑色線條表示使用傳輸線模型擬合的數據。g, 在PBS中以不同掃描速率收集的6.7微米厚PPy(DBS)的典型循環伏安(CV)曲線。h, 根據g中的CV結果計算的面積電容。i, 在PBS中通過逐步施加-0.7到0.6?V的電壓進行的多步安培表征。j, 一系列合并照片展示了雙層條形自由端的大幅觸發彎曲運動。

驅動器評估

研究團隊對基于導電聚合物的PPy(DBS)/Au/PaC驅動器進行了性能評估，驅動器以矩形結構為基礎，采用運動學模型進行彎曲運動分析（圖2a）。通過方波電壓刺激，攝像機記錄并結合計算機視覺技術分析其運動表現，評估參數包括彎曲角度、彎曲半徑和曲率。結果顯示，驅動器對電刺激響應迅速，并在反復刺激中保持高重復性和可逆性，性能表現穩定。

為了解驅動器在生理環境下的性能，研究人員進一步在PBS和NaDBS溶液中進行測試。在這兩種溶液中，驅動器表現出顯著的彎曲運動，甚至能夠卷曲成螺旋形狀，彎曲角度分別達到682°和597°（圖2b）。在不同頻率的方波電壓下，驅動器的響應時間被量化分析，結果表明，隨著頻率增加，彎曲幅度逐漸降低，這是由于陽離子通過聚合物基質的時間所致（圖2c-e）。此外，驅動器的彎曲幅度與PPy(DBS)薄膜的厚度密切相關，6.7 μm被確認為最佳厚度，實現了最大的彎曲幅度（圖2f）。該研究還通過500次重復刺激循環驗證了驅動器的穩定性和可靠性，展現了其在長期應用中的穩健性能（圖2g）。

Fig2. 電化學機械評估。a. 設備彎曲行為的側視圖示意圖（藍色）以及基于恒定曲率近似構建的運動學評估模型（綠色）。b. 在NaDBS和PBS中測試的設備性能比較。c-e.轉移電荷量（c）、曲率（d）和彎曲角度（e）作為PBS中驅動頻率的函數。PPy(DBS)的厚度為6.7微米。f. 彎曲幅度作為轉移電荷量的函數進行評估。g. 在500次重復驅動循環中的穩健性評估。

神經袖套電極的設計

神經袖套設計通過柔和抓握或螺旋纏繞方式緊密貼合神經，能夠適應不同直徑的神經，解決了傳統袖套電極對齊不良的問題，大幅提升電信號傳輸的穩定性（圖3a）。核心創新在于驅動元件與微電極陣列的無縫集成，利用光刻工藝確保其高效性和靈活性。例如垂直對齊的驅動元件設計允許設備沿電極方向大幅度彎曲，最小彎曲半徑可達170微米（圖3b）。通過不對稱分布的驅動元件，袖套可在2.1秒內快速轉變為螺旋形態，增強了適應不同神經形態的能力（圖3c）。袖套整體結構精簡，降低了機械不匹配風險，推動了設備的小型化與柔性化。靜態拉伸測試顯示其模量與PaC相似，展現出優異的柔韌性，有效減少植入物對神經組織的損傷。見圖3.

Fig3. 集成軟執行器的神經袖帶電極。a. 神經袖套示例。b. 光學顯微鏡照片顯示了一種可彎曲成170微米彎曲半徑的平坦袖套設備。c. 照片展示通過不對稱圖案驅動元件設計實現的2.1秒內螺旋路徑快速驅動。d. 機器薄膜神經袖套每一層的爆炸渲染圖。e. 與平坦柔性電纜(FFC)連接器粘接的設備照片。f. 由1.95微米PaC、10納米Ti、100納米Au和6.70微米PPy(DBS)組成的薄膜設備的應力-應變曲線。g. 神經袖套在PBS中的1.4毫米神經模型上纏繞的過程。h. 比較不同電壓下螺旋結構的半徑，測量了不同厚度的PaC和PPy樣品。

神經袖套的在體驗證

隨后，研究人員在大鼠體內進行神經袖套的在體驗證。厚度為2微米的PaC和4微米的PPy(DBS)組合的神經袖套，集成了28個聚(3,4-乙二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT:PSS）/Au微電極，用于大鼠坐骨神經位置記錄神經活動。實驗結果表明，該設備能夠與神經形成穩定的接口（圖4a-c）。

研究人員將袖套電極放置于麻醉大鼠的坐骨神經上。通過控制施加電壓，設備能夠靈活調整其形狀，從螺旋纏繞狀態轉換為貼合神經的界面，實現了多次調整以確保最佳的電接觸。此過程無需使用任何固定膠水或縫線，展現出極高的操作簡便性和生物兼容性。結果發現，神經袖套成功捕捉到與刺激相關的脈沖信號，信號質量穩定且基線噪聲較低（圖4e-g）。

Fig4. 用于微創手術的軟推桿輔助周圍神經袖帶的植入和活體驗證。a. 靈活神經袖套概念示意圖。b. 聚吡咯PPy(DBS)和對照組玻璃片的細胞活力分析。c. 神經記錄微電極在1,000次驅動循環前后的電化學阻抗幅值（下）和相位（上）。d. 神經袖套在電壓從-0.5V切換到0V時自纏繞在坐骨神經上。e. 記錄植入麻醉大鼠坐骨神經的軟體驅動袖套電極的基線噪聲。f. 感覺刺激時的坐骨神經活動。g. 通過按壓爪子對五只大鼠的五個植入驅動袖套記錄到的脈沖噪聲（綠色線）和脈沖幅度（箱線圖）的量化結果。

結論

劍橋大學研究團隊創新性地開發出一種柔性、低電壓驅動的神經袖套電極，適用于微創神經接口手術。此種神經袖套集成精確圖案化的驅動元件和微電極陣列，無需體積龐大的驅動器或復雜的控制系統，通過可逆的電壓控制實現形狀變化。在體動物實驗發現，神經袖套實現了自纏繞神經，形成穩定接口，能夠承受多次折疊和展開，且無額外固定操作。新型神經袖套有植入過程簡單、良好的生物兼容性、設備易于移除、安全性高等優勢。這一創新技術為神經系統疾病的診斷與治療提供了全新的解決方案，推動了神經接口設備的發展。

Reference：

https://www.nature.com/articles/s41563-024-01886-0

翻譯整理：BrainGeek

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