手工全聚合物神经接口的简便制造工艺

《ACS Applied Bio Materials》：A Facile Fabrication Process for Handmade Fully Polymeric Neural Interfaces

　　

传统的神经接口通常通过光刻微加工使用热塑性绝缘体和贵金属导体制造。虽然有效，但这些方法需要昂贵且耗时的基础设施，限制材料选择，并且常常制造出相对于软神经组织具有显著机械和界面不匹配的器件，限制了长期性能。在此，研究人员引入了CASPER（CAsted and Screen-Printed polymeric ElectRodes，浇铸与丝网印刷聚合物电极），一种无洁净室、低成本的台式策略，用于从生物相容性聚合物材料全手工制造可植入神经接口。通过结合聚合物浇铸与手工丝网印刷和可重复使用的模具，CASPER实现了无需专门微加工设备的快速电极制造。作为概念验证，研究人员开发了CASPER-cuff，一种针对猪颈迷走神经定制的全聚合物袖套电极，集成了聚二甲基硅氧烷（PDMS）绝缘层与无金属PEDOT:PSS（聚(3,4-亚乙二氧基噻吩):聚苯乙烯磺酸）导电水凝胶活性位点。CASPER-cuff表现出组织顺应性机械性能（E < 1 MPa），以及有竞争力的电化学性能（|Z|@1 kHz = 3.58 ± 1.78 kΩ；cCSC = 74.98 ± 20.27 mC cm^–2），证明了制造的显著简化并不损害器件功能。体内植入进一步显示了稳定的神经耦合以及可靠的刺激和记录诱发的复合动作电位（ECAP），与迷走神经B纤维募集一致。CASPER为生物电子医学建立了通往可定制、全聚合物软神经接口的可及途径。

### 论文解读：手工全聚合物神经接口的简便制造工艺

神经接口（Neural Interface, NI）是脑-计算机接口（Brain-Computer Interface, BCI）和生物电子系统的核心，用于恢复或增强人体功能。当前神经接口通常采用光刻微加工技术，使用热塑性绝缘体（如聚酰亚胺）和贵金属（如铂、金）制造，虽然有效，但存在严重缺陷：高刚度材料与软神经组织之间的机械和界面不匹配，会引发异物反应（Foreign Body Reaction, FBR），导致慢性炎症、纤维化包裹，并最终降低记录保真度和刺激效能。此外，传统制造依赖昂贵、耗时的洁净室设施，限制材料选择，且制造周期长，难以快速定制以适应特定神经解剖结构。为克服这些瓶颈，研究人员需要一种低成本、台式化的制造策略，能够集成软性、生物相容的聚合物材料，同时简化工艺流程。在此背景下，本研究引入CASPER（CAsted and Screen-Printed polymeric ElectRodes，浇铸与丝网印刷聚合物电极），一种无洁净室、低成本的台式方法，用于全手工制造可植入全聚合物神经接口，并以猪颈迷走神经的袖套电极为例进行验证，表明简化制造并不牺牲功能。该成果发表在《ACS Applied Bio Materials》期刊。

**关键技术方法**（不超过250字）：CASPER方法结合了聚合物浇铸与手工丝网印刷技术，使用可重复使用的3D打印热固性树脂模具。绝缘材料采用聚二甲基硅氧烷（PDMS），导电成分选用无金属的PEDOT:PSS（聚(3,4-亚乙二氧基噻吩):聚苯乙烯磺酸）导电水凝胶，通过冻干和再水化制备并加入二甲亚砜（DMSO）以增强导电性。制造步骤包括：在模具中浇铸并水平第一层PDMS层；将PDMS掩膜对齐后经丝网印刷沉积PEDOT:PSS水凝胶迹线；溶剂蒸发后对齐柔性PCB；浇筑第二层PDMS封装并固化；最后剥离并进行热退火。总制造时间约10小时。动物实验采用G?ttingen Minipigs（体质量32.2 kg），在颈部暴露右迷走神经并植入两个CASPER-cuff（颅侧用于记录，尾侧用于刺激），间距1 cm。所有操作忽略具体试剂浓度和质粒构建细节。

**研究结果**：

**3.1 CASPER制造与设计**：通过光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）观察制造各步骤。定量分析显示PDMS平均厚度为350.75 ± 24.16 μm（n=20），PEDOT:PSS导电迹线宽度为645.29 ± 190.84 μm（n=20），活性位点（300×300 μm方形）的宽度和厚度分别为362.3 ± 15.2 μm和297.4 ± 9.1 μm（n=20），表明制造重复性良好。SEM截面显示PEDOT:PSS被两层PDMS完全封装且融合良好，无脱层。制造过程全部手工完成，约需10小时。结论：CASPER能够通过手工操作实现精确、可重复的电极制造。

**3.2 CASPER表征**：流变学测试显示PEDOT:PSS水凝胶具有剪切变稀行为（存储模量G′和损耗模量G″随剪切应力变化）。力学拉伸试验测得PDMS杨氏模量为0.49 ± 0.04 MPa（n=12），PEDOT:PSS水凝胶浸泡在PBS中后模量为4.96 ± 1.16 MPa（n=12）。电化学表征采用三电极体系：电化学阻抗谱（EIS）显示1 kHz阻抗模量为3.58 ± 1.78 kΩ（n=30个活性位点），相位响应在低频呈电阻性、高频呈电容性；循环伏安法（CV）无氧化还原峰，阴极电荷存储容量（cCSC）为74.98 ± 20.27 mC cm^-2（n=30）。结论：CASPER-cuff具有组织顺应性（<1 MPa）、低阻抗和高电荷存储能力，性能优于传统金属电极，且与现有软神经接口材料相当。

**3.3 体内神经刺激/记录实验**：在猪迷走神经植入两个CASPER-cuff后，使用电荷平衡双相矩形脉冲（1 mA，3 Hz，200 μs脉宽）刺激尾侧电极，颅侧电极记录到诱发的复合动作电位（ECAP）。ECAP潜伏期约1 ms，符合迷走神经B纤维的传导速度。电极在植入过程中未发生位移、挤出、泄漏或导电水凝胶脱层，机械稳定性良好。结论：CASPER-cuff能够在体内可靠刺激和记录神经信号。

**总结与讨论**：本研究开发的CASPER方法通过手工浇铸和丝网印刷实现了全聚合物神经接口的快速制造，无需洁净室设备，制造时间约10小时。与现有基于光刻、激光微加工或微流控打印的方法（如Zhou等人报道的3D打印导电水凝胶、Dong等人报道的液态金属自滚动电极、Cuttaz等人报道的激光微加工导电弹性体套管）相比，CASPER显著降低了技术壁垒。所用材料PDMS和PEDOT:PSS水凝胶分别提供适度的刚度（0.49 MPa）和良好的电化学性能（3.58 kΩ@1 kHz、74.98 mC cm^-2），体内验证显示稳定的神经耦合。研究局限性包括：当前设计难以进一步缩小电极尺寸以提高空间分辨率或实现更复杂的设计（如横截面内通道电极TIME）；需要慢性植入研究评估长期生物相容性和FBR。未来可探索纳米结构多糖涂层和无线刺激方案。

**研究结论部分翻译**：本研究中，研究人员开发了一种新颖且简便的全聚合物神经接口制造策略，并通过一个针对猪颈迷走神经设计的六通道袖套电极进行了验证。CASPER-cuff在形态、力学和电化学方面进行了表征，显示出良好的神经顺应性、稳定的锁定以及有效的刺激/记录能力。使用聚合物导电水凝胶实现了低阻抗（1 kHz处3.58 ± 1.78 kΩ）和高cCSC（74.98 ± 20.27 mC cm^-2），优于传统金属电极。体内结果进一步证实了CASPER刺激/记录神经信号的功能，在使用颅侧和尾侧植入的两个CASPER-cuff进行刺激期间，成功记录到了与迷走神经B纤维募集一致的ECAP。总体而言，这些发现确立了CASPER作为下一代聚合物神经接口的一种有前景的低成本、生物相容性平台。鉴于其适应性和可扩展的制造过程，CASPER方法可扩展到广泛的应用领域，包括可穿戴或可植入肌电电极以及用于BCI的皮层内器件。