哈佛大学刘嘉，再发Nature Nanotechnology！

基于氟化弹性体的三维时空可扩展活体神经探针

以单神经元分辨率长时间（数月至数年）、跨大量神经元群（数百至数千）稳定记录大脑活动对于神经科学、医疗应用和脑机接口至关重要。然而，实现大时空尺度的神经接口仍然具有挑战性：人体对神经探针的免疫反应可能会很严重，探针可能会偏离所需的位置，接口电子设备的性能也可能会下降。一方面，虽然由硅制成的刚性探针可以同时捕捉成百上千个神经元的活动，但由于异物反应和植入物在大脑中的漂移，其稳定性会随着时间的推移而降低。另一方面，由薄膜塑料制成的柔性探针可在数月内稳定跟踪神经元活动，但在设计上受到限制，因为只有刚性材料才能用于纳米制造，这就要求探针必须非常薄。要解决这一问题，就必须在脑-电子接口技术方面进行创新，即从材料科学、微加工、电气和机械工程以及生物工程的角度进行协同，为高密度、长寿命的神经探针铺平道路。

在此，哈佛大学刘嘉团队介绍了一种基于全氟介电弹性体和组织级软多层电极的三维（3D）堆叠植入式电子平台，它能在神经系统中实现时空可扩展的单细胞神经电生理学。此弹性体在生理溶液中可保持一年以上的稳定介电性能，其柔软度是传统塑料介电材料的 10000 倍。利用这些独特的特性，作者开发出了以三维配置封装光刻纳米厚电极阵列的方法，其横截面密度为每 100 µm2 7.6 个电极。由此产生的三维集成多层软电极阵列保持了组织级的灵活性，减少了小鼠神经组织中的慢性免疫反应，并证明有能力在不干扰动物行为的情况下可靠地跟踪小鼠大脑或脊髓中的电活动达数月之久。相关成果以“3D spatiotemporally scalable in vivo neural probes based on fluorinated elastomers”为题发表在《Nature Nanotechnology》上。

本文开发了一种基于全氟聚醚（PFPE）的弹性体，作为一种弹性光图案介电材料。这种基于全氟聚醚的光可印刷介电材料(1) 比传统的硬塑料封装材料柔软 10,000 倍，同时保持相同水平的纵向介电性能；(2) 能够进行微米分辨率的三维光刻多层纳米制造；(3) 与纳米厚金属沉积兼容。三维堆叠微电极阵列可通过三维堆叠增加电极的数量和密度，同时保持组织级的灵活性和机械坚固性，并能在数月内稳定跟踪单机-单穗分辨率的电活动，同时减少免疫反应，这证明了其在神经电生理学的空间和时间尺度上的可扩展性。

图 1：用于时空可扩展的体内电生理学的可植入神经探针

生物流体中长期稳定的软封装

传统的介电弹性体可用作生物电子学的软封装材料；然而，由于生理溶液中的离子会逐渐渗透到弹性体中，它们的长期封装性能受到了限制。这种不稳定性主要是由生物流体中的离子扩散到弹性体中造成的（图 2a），因为软聚合物的分子渗透性通常比塑料和无机物的分子渗透性高几个数量级。

利用 EEC，作者进一步分析了四种代表性介电聚合物的离子扩散性、溶解性和电导率。去离子水中离子电导率的变化表明了这些聚合物的离子扩散速率。溶液电导率的高原值与离子溶解度 S 成正比。通过拟合实验数据确定了离子扩散率 D，并计算了离子电导率。这两种方法得出的结果一致表明，PFPE-DMA 的离子导电率与 SU-8 相似，但比其他介电弹性体低 1-2 个数量级。此研究结果还突显了含氟介电弹性体在生物流体中介电性能的稳定性。PFPE-DMA 膜在 17 个月的浸泡期内与 SU-8 双层膜一样稳定。值得注意的是，交联 PFPE-DMA 膜的弹性模量为 0.50 兆帕，比 SU-8 软约 10000 倍（图 2h）。全氟聚醚-DMA 独特地兼具机械柔软性和长期介电性能稳定性（图 2i），因此非常适合用于体内电生理学时空可扩展的植入式神经探针。

图 2：氟化弹性体作为柔软且长寿命的电介质

3D 可扩展神经探针

作者开发了一种使用全氟聚醚-DMA 弹性体的三维光刻协议，用于可扩展的神经探针制造。我们开发的创新技术使 PFPE-DMA 能够在标准洁净室中作为阴性光刻电介质材料进行加工，从而使 PFPE-DMA 成为一种弹性体，可与用于 3D 电子产品的传统光刻工艺兼容。图 3b 显示了玻璃毛细管上带有 64 个电极的神经探针的灵活性。相应的明场（BF）光学图像显示一个探针包含六层 PFPE-DMA 夹层四层金属电极。作者对 PFPE-DMA 特征的横向分辨率达到了约 1 µm。值得注意的是，PFPE-DMA 和金属层之间不会存在分层现象。

图 3：用于可扩展神经探针的高密度软微电极阵列的 3D 集成

长期稳定的神经电生理

作者将神经探针植入小鼠大脑进行长期记录。一个探针可高密度集成 64 个电极，它们被植入躯体感觉皮层，并通过扁平柔性电缆与电压放大器连接，进行电生理记录。在植入后 12 周，与 SU-8 探头相比，PFPE-DMA 探头周围的 NeuN（神经元）信号明显增强。此外，与 SU-8 探针相比，植入后 12 周 PFPE-DMA 探针周围的星形胶质细胞和小胶质细胞的荧光强度明显降低。这些结果表明，三维垂直堆叠的多层 PFPE-DMA 探针能与脑组织保持长期的生物相容性。慢性记录显示，在十周的植入期内，单体动作电位被稳定记录下来，其间隔分布（ISI）和波形形状的变化极小。此外，主成分分析显示，从植入后两周到十周，所有单元在第一和第二主成分平面（PC1-PC2）上的位置几乎保持不变。此外，振幅、点燃率和波形相似性在所有记录过程中都保持不变，这表明高密度多层软探针可以长期稳定地跟踪来自相同神经元的活动。

图 4：通过可扩展的软神经探针实现长期稳定的脑电生理和植入，减少免疫反应

PFPE-DMA 介电层的可拉伸性使多层神经探针能够承受更大的应变，在弯曲过程中对组织造成的机械损伤更小。为了证明这一点，作者对小鼠脊髓进行了慢性电生理学研究（图 5a）。结果显示，在植入后六周，PI 探针附近的星形胶质细胞和小胶质细胞密度增加。相比之下，植入 PFPE-DMA 探针的小鼠与假手术动物没有明显差异。通过测量小鼠在开阔地箱中的自由移动以及在水平梯子上基本行走和熟练运动时的全身运动情况，确定了植入探针对动物行为的影响（图 5d）。统计结果表明，与假对照组相比，植入 PI 探针的小鼠在运动过程中的平均距离和平均速度都有所减少，同时还出现了运动障碍，而植入 PFPE-DMA 探针的小鼠则没有明显差异（图 5e）。利用植入的电极，我们记录了几周内来自代表性电极的尖峰样电活动（图 5f），其发射率的变化与动物的静息和行走状态相对应（图 5g、h）。这些结果表明，植入小鼠脊髓的 PFPE-DMA 软神经探针不会影响动物的行为，并能稳定记录脊髓电活动。

图 5：长期稳定的脊髓记录

小结与展望

通过使用比传统材料更具生物顺应性的柔性封装材料，作者在单细胞水平上建立了长期稳定的柔性脑电子接口。这项工作有望彻底改变用于神经记录和刺激以及脑机接口的生物电子学设计。此研究强调，通过对各种因素进行精心设计，为长期稳定的神经接口设计新型弹性体是可行的。这种方法与半导体行业依赖过时的现成材料的习惯形成鲜明对比，这些材料最初并未针对体内生物电子学进行优化。据作者预计，这项研究将扩大神经接口的设计范围。然而，一个棘手的问题是目前含氟材料的成本，它超过了聚酰亚胺等市场上可买到的柔性材料的成本。目前，这一成本因素可能会限制这项工作在工业领域的应用。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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