体内棘内神经记录的各向异性水凝胶微电极

创建持久的、运动兼容的神经接口对于访问体内动态组织和将神经活动与行为联系起来至关重要。在这里，作者引入了碳纳米管增强聚乙烯醇水凝胶，创造了电各向异性、抗疲劳的纤维，用于小鼠的长期椎管内电生理记录。

　　

新型水凝胶微电极：突破脊髓神经记录难题的创新之举

纽约州立大学宾厄姆顿分校（State University of New York at Binghamton）的研究人员 Sizhe Huang、Ruobai Xiao 等人在《Nature Communications》期刊上发表了题为 “Anisotropic hydrogel microelectrodes for intraspinal neural recordings in vivo” 的论文。该研究开发出各向异性水凝胶微电极，为体内脊髓神经记录提供了创新解决方案，对神经科学研究意义重大，有望推动神经生理学监测技术的革新，助力深入探究神经系统疾病机制和开发新疗法。

一、研究背景

在神经科学研究领域，构建稳定、运动适配的神经接口对在体内动态组织中获取神经活动信息、关联神经活动与行为极为关键。传统刚性植入物与脆弱神经系统间存在机械失配问题，会损伤神经组织，影响自由运动行为下深层结构的神经信号记录 。虽然软材料解决方案在一定程度上改善了运动适应性，但现有大多数硬膜外电子设备仅能在脊髓表面进行记录，难以实现对深层单神经元的精准记录，且长期植入面临分层和疲劳风险。因此，开发能深入脊髓组织、具备良好运动适应性且可长期稳定记录的神经接口迫在眉睫。

二、研究材料方法与关键技术路线

研究人员以半结晶聚乙烯醇（PVA）水凝胶为基质，引入高长径比的导电碳纳米管（CNTs）。制备过程包括将 PVA 溶解于水并加热搅拌，稀释 CNTs 并添加表面活性剂防团聚，混合 PVA、CNTs 及交联剂等溶液，注入模具交联，经洗脱、清洗、酸化、拉伸、干燥、退火和再溶胀等处理，制成 CNTs-PVA 水凝胶纤维和薄膜。

为实现各向异性导电，研究人员利用循环拉伸技术。对水凝胶施加不同应变（5%、10%、20%）和循环次数（5000 - 15000 次）的拉伸，促使 CNTs 在 PVA 基质中沿拉伸方向排列，构建导电通路。通过多种表征技术，如扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、拉曼光谱、刺激拉曼散射显微镜（SRS）和 X 射线散射等，研究水凝胶微观结构和性能变化。同时，制备集成水凝胶微电极的生物电子设备，植入小鼠肌肉和脊髓进行体内测试，评估其记录肌电信号和神经元活动的能力。

三、研究结果

（一）纳米复合水凝胶纤维拉伸诱导的导电性改善

研究人员假设水凝胶的聚合物纳米晶可支撑弹性基底，纳米填料重排构建导电渗流网络，赋予水凝胶拉伸下的导电性。实验中，将 CNTs 加入 PVA 水凝胶并循环拉伸（20% 应变，10000 次循环），SEM 显示 CNTs 束结构重构并沿应变方向排列。

通过电化学阻抗谱（EIS）研究不同 CNTs 浓度（0.04 - 0.24 wt%）水凝胶纤维的电学性能，发现 CNTs 浓度增加，比阻抗降低，表明 CNTs 对水凝胶纤维导电性贡献显著。对比不同拉伸条件下的水凝胶纤维阻抗，发现循环拉伸能有效降低阻抗，如 0.16 wt% CNTs 的纤维，循环拉伸后阻抗从 55.47 ± 13.03 kΩ 降至 33.20 ± 9.27 kΩ。且拉伸应变增加，导电性提升越明显，20% 应变循环训练效果最佳。循环拉伸 5000 次后，水凝胶纤维阻抗和含水量趋于稳定，确保了在体内复杂环境下检测电生理信号的稳定性。

（二）张力强化各向异性纳米取向（TRAIN）策略

采用 SRS 显微镜观察 CNTs 在 PVA 水凝胶基质中的排列，发现循环拉伸（20% 应变，10000 次循环）后，CNTs 沿拉伸轴优先排列，分散度从 29.32 ± 6.98° 降至 9.60 ± 2.22°。制备 CNTs-PVA 薄膜并沿不同轴测量阻抗，结果显示沿拉伸方向（x 轴）阻抗降低 17.43 ± 11.12%，垂直方向（y 轴无显著变化，z 轴增加 17.49 ± 6.04%），证实了各向异性阻抗增强与 CNTs 重排的关联。此外，广角 X 射线散射（WAXS）表明拉伸使水凝胶中聚合物纳米晶域重新取向，进一步揭示了 TRAIN 策略下纳米结构的整体重排机制。

（三）TRAIN 水凝胶的机械性能

单轴拉伸测试显示，未拉伸训练的 0.16 wt% CNTs-PVA 水凝胶纤维弹性模量为 6.45 ± 1.63 MPa，最大伸长率 124.09 ± 50.46%。200% 预拉伸处理使弹性模量增至 32.74 ± 5.74 MPa ，但进一步循环拉伸（20% 应变，10000 次循环）后，弹性模量降至 15.97 ± 5.82 MPa，拉伸性降至 64.54 ± 7.94%，与未训练纤维弹性模量相当，表明 TRAIN 方法保留了 PVA 水凝胶的柔软性，利于体内应用。差示扫描量热法（DSC）分析表明，引入 CNTs 会降低水凝胶结晶度，从 26.5% 降至 11.5%，影响聚合物纳米结晶。

（四）TRAIN 微电极在运动小鼠中的肌电记录

研究人员制备了涂有绝缘层的 CNTs-PVA 水凝胶微电极（直径 187 ± 13 μm），并植入小鼠胫骨前肌（TA）和腓肠肌（GS）。在转基因 Thy1::ChR2-EYFP 小鼠中，经皮蓝光刺激（473 nm）后，微电极能可靠记录 TA 和 GS 肌肉的肌电信号，信噪比分别达 38.08 和 37.12；野生型小鼠无光照响应，证实了微电极对光触发肌电信号的捕捉能力。

在自愿转轮跑步测试（VWRTs）中，植入水凝胶微电极的小鼠运动不受影响，步态分析显示与假手术对照组无显著差异。测试期间，微电极能同时记录 TA 和 GS 肌肉的肌电信号，并与运动行为相关联，反映出肌肉交替活动。

（五）TRAIN 微电极的脊髓电生理记录

将三个 TRAIN 微电极集成到小型化设备中，分别植入小鼠脊髓腰 3（L3）区域腹角和后肢 TA 肌肉。在转基因 Thy1::ChR2-EYFP 小鼠中，经皮光刺激（473 nm）后，能同步记录脊髓和肌肉的电活动，且光脉冲强度改变时，电信号峰值幅度和波形变化明显，证明了微电极的响应性。

加速老化测试表明，水凝胶微电极在人工脑脊液（aCSF）不同 pH 条件（pH 4、7、10）和 45 °C 下孵育 5 周，阻抗、弹性模量和拉伸性保持稳定，可靠性高。长期监测发现，植入小鼠脊髓的微电极 8 个月后仍能收集神经活动信号，且单神经元活动波形稳定。自由运动小鼠脊髓记录显示，运动时出现大幅爆发性尖峰，静息时为低幅自发神经尖峰，体现了微电极在体内动态环境中的适应性。免疫组化染色显示，植入部位周围脊髓组织中胶质纤维酸性蛋白（GFAP）表达随时间下降，离子化钙结合衔接分子 1（IBA1）表达 3 - 30 天保持稳定，表明微电极与组织的良好相容性。

四、研究结论与讨论

本研究成功制备出具有各向异性电化学阻抗的 CNTs-PVA 水凝胶微电极，揭示了拉伸诱导导电纳米填料重构的机制。该微电极保留了柔软性和拉伸性，方向导电性良好，在小鼠运动时可同时采集多块肌肉电信号，借助集成设备还能捕捉转基因小鼠坐骨 - 脊髓 - 运动反射弧中的光诱发电信号。此外，其能适应脊髓组织复杂力学环境，在麻醉、清醒和自由行为状态下均成功记录小鼠脊髓腹角电生理信号。

这种基于软纳米材料的组织集成生物电子技术，为多部位集体记录提供了解决方案，尤其适用于力学环境复杂的部位，有助于从行为学角度全面理解神经回路。与传统脊髓表面硬膜外记录设备相比，纤维状或穿透性微电极虽能深入脊髓探测，但脊髓运动复杂、组织脆弱，仍需更柔软的神经材料接口设计。抗疲劳软质水凝胶具备良好的材料 - 组织机械匹配性和拉伸性，增强的导电渗流网络能确保动态条件下稳定的接口阻抗和导电通路，对实验动物自然行为干扰小，可通过集成生物电子设备直接关联神经和肌肉回路活动。

综上，该研究成果为神经科学研究提供了创新工具，有望推动神经生理学监测技术发展，助力神经系统疾病机制研究和治疗方法开发，在未来神经科学领域具有广阔应用前景。