为局部低压Elastronics-hydrogel-based微电子神经调节

* * Elastronics——局部低压Hydrogel-based微电子神经调节
一个决定与组织水平和可伸缩的封装材料杨氏模量。)示意图bioelectronic接口的周围神经和软导体电极和绝缘材料。b)逐步PEDOT的示意图:PSS决定合成工艺和SEM图像显示形态变化在每一步合成的一个决定。c)特区电导和电导率变化在过渡从离子凝胶电解珩磨泡在水里。d)在转换过程中体积变化从离子凝胶电解珩磨。f)电化学阻抗的变化在不同的单轴压力在1赫兹,100赫兹和1 kHz电场频率。决定膜厚度在应变0% 200海里。y g,表面阻抗在不同压力和频率的阴谋。h)单轴应力-应变曲线的大部分决定样本。i)的分子结构弹性PFPE-DMA (dimethacrylate-functionalized perfluoropolyether)进行交联过程后暴露于紫外线光。 j) Uniaxial stress–strain curve of the crosslinked fluorinated elastic PFPE-DMA. k) Comparison of Young’s modulus values between commonly used dielectric materials and the conductor with PFPE-DMA and ECH. Conductive and insulation materials are shaded in pink and blue, respectively. Credit:自然生物医学工程,doi: https://doi.org/10.1038/s41551 - 018 - 0335 - 6

植入式神经调节装置等脑深部刺激器迷走神经刺激器,被广泛用于治疗神经系统疾病。大多数设备组成的刚性探针限制空间分辨率,增加机械体内失配与周围组织不相容。新方法主要集中在结构设计包括超薄syringe-injectable电子和macro-porous网电子提高兼容性。一种低成本的替代方法是开发柔性微电子形成组织如生物材料使用应变工程方法赋予较低的杨氏模量和提供软机械性能灵活“elastronics”组织的水平。

之间的不匹配植入式微电子和周围组织必须缩小以减少免疫反应后植入体内,允许灵活的运动。植入软性电子产品的设计是一个挑战由于有限的可用性合适的电子材料。在一份新的报告中,宇新刘和他的同事们在跨学科的生物工程、化学工程和斯坦福大学电气工程描述一部小说,导电水凝胶生物材料(决定)。在这项研究中,他们展示了一个弹性微电子设备杨氏模量低于感兴趣的组织。系统包含一个高导电,柔软的水凝胶作为导体和一个弹性氟化光刻胶作为绝缘层。这项研究的结果发表在自然生物医学工程

小说的电极阵列薄膜水凝胶被称为“elastronics。”They are 20 µm in feature size, with significantly reduced interfacial impedance in the surrounding tissue. The system contains a current-injection density approximately 30 times greater than platinum electrodes and shows stable electrical performance under strain. The scientists demonstrated the use of soft elastronic arrays for localized, low-voltage electrical stimulation of the sciatic nerve in live mice.

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光刻水凝胶elastronics。左一):逐步插图的光刻装置。传统光刻进行PEDOT: PSS-ionic液体(IL)离子凝胶盟硬掩模。之后,微型图象被干蚀刻转移到离子凝胶。最后,微型图象离子凝胶被水交换了。右:复杂的微观结构装置,直线和曲线都解决了。b)左:逐步说明对光刻PFPE缩微成像。PFPE-DMA混合剂和旋转涂布。紫外线是用来交联PFPE-DMA形式感兴趣的微型图象。右:扫描电镜的图像photolithographically微型图象PFPE-DMA结构直线和曲线。 c) A freestanding MECH elastronics electrode array pressed against soft jelly. Scale bar, 2 mm. d) Zoomed-in image of MECH electrodes (dark lines) with PFPE-DMA encapsulation (colored as light blue). e) Schematic of an elastronic electrode, a MECH electrode and interconnect sandwiched by photolithographically micropatterned fluorinated polymer PFPE-DMA as the top and bottom insulation layers. f) MECH electrode array stretched under 20% tensile strain shows no cracks. Credit: Nature Biomedical Engineering, doi: https://doi.org/10.1038/s41551-018-0335-6
水凝胶通常用于应用程序生物医学工程组织工程由于优秀的组织模仿和生物力学。弹性水凝胶具有非凡的离子传导用作电极人造肌肉。然而,纯离子的水凝胶是不适合工程师神经活动,因为它缺乏所需的电子导电率高,single-neuron-single-spike活动。

在bioelectronic差距缩小机械接口,可以打印导电聚合物水凝胶(CP),或者创建一个导电水凝胶涂层对刚性电极实用神经工程。然而,这些方法都扣留低导电性和无法实现缩微成像技术在生物材料植入后正是neuromodulating软电子产品。因此,现有的需要为神经工程开发可伸缩和绝缘材料。理想的材料有效地防止漏电,应兼容精密加工策略和有杨氏模量与周围组织类似的网站植入。

刘等人报告薄膜elastronics(组织如电子产品)开发接口与周围神经局部神经调节神经活动(控制)。他们准备导电水凝胶(决定)预期的电导,图案成微尺度薄膜结构。然后提出一个封装,可伸缩的绝缘材料(防止电流泄漏),其杨氏模量是调谐匹配神经组织周围的微环境。工作包括lithographical封装材料加工成多级阵列和测量植入后水稳定性和生物相容性。工作允许有效的电刺激,决定与高电流密度和超低电压在体内小鼠模型进行测试。

在生物材料制造,离子液体可以混合成一个(CP)的解决方案,形成一个相互联系的离子凝胶膜网络。刘等人使用这种策略,然后把离子液体添加剂通过水交替变换离子凝胶水凝胶。由此产生的电子电导的电解珩磨明显更高,神经工程所需材料。

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水稳定性和生物相容性。CSC的)描述(电荷存储容量)的一个决定在PBS孵化19天,P > 0.05。b)阻抗稳定1 kHz的机械微电极(20μm×1毫米厚度为200 nm, n = 3)浸泡在PBS溶液为19天。c)机械绝缘电极的阻抗PFPE-DMA 1千赫高于100 MΩ,应用应变后的影响。d)生物相容性研究的示意图。齿轮装置电极阵列封装与PFPE-DMA弹性体200µm×200µm暴露不少地区缠绕在坐骨神经为6周的老鼠。e)的比较工作电极的杨氏模量的值与神经组织(灰色矩形),与传统的植入式电子探针。f) Z-projection共焦显微照片的免疫化学标签坐骨神经的横截面切片。g)直方图显示神经纤维细丝和雪旺细胞的平均荧光强度(s - 100标记)的虚假的控制,工作电极和电极袖口。h)横截面切片的坐骨神经炎症生物标记标签的ED1虚假的控制,工作电极和电极袖口。 i) Histogram showing the normalized inflammatory area labelled by anti-ED1 antibody. Credit: Nature Biomedical Engineering, doi: https://doi.org/10.1038/s41551-018-0335-6

科学家小说特点决定生物材料来理解其高导电性在离子凝胶水凝胶过渡使用x射线光电子能谱(XPS)和扫描电子显微镜(SEM)。在补液,刘等人观察到的体积膨胀。离子凝胶含有聚合物的比例PEDOT: PSS(聚(3 4-ethylenedioxythioephene):保利(styrenesulfonate)组成。去除电子绝缘PEDOT聚合物网络的增加导致观察到的导电性的材料。

然后他们决定材料的杨氏模量测量不同聚合物的宪法与压缩测试通过nanoindentation-based原子力显微镜(AFM)。决定材料的弹性模量与软组织如神经组织。微型图象电极电解珩磨,科学家们使用传统照相平版印刷的模式。他们很容易能够模式所需的几何与解析5µm规模。

刘等人开发了一个战略模式的柔性隔热层直接与微尺度分辨率聚合物导体形成夹在电极的第一次。微型图象的决定(机械)柔性电极被氟弹性光刻胶dimethacrylate-functionalized perfluoropolyether (PFPE-DMA)单体形成顶部和底部封装层。独立式装置显示,20%拉伸性没有形成裂缝。

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机械显示高电流密度和低阻抗。)的阻抗光谱PEDOT: PSS盟电极,装置在一个非盟电极和工作电极。b)阻抗光谱纯电子导体(白金),纯离子导体(DMEM,杜尔贝科修改鹰的媒体)和dual-conductor机甲。c)电流密度的铂和DMEM测量频率为50 Hz,±0.5 V双相脉冲。d)的传输线模型作为电极和互连导电水凝胶。e) Geometry-dependent电流密度和机械阻抗。电流密度相应增长当互连长度增加。信贷:自然生物医学工程,doi: https://doi.org/10.1038/s41551 - 018 - 0335 - 6

长期的神经调节体内,材料应保持高电荷存储容量(CSC)和在生理条件下长期稳定。在实验中,决定保持高CSC值经过19天的孵化和机械微电极显示类似阻抗稳定由于周围介质PFPE-DMA聚合物良好的封装。了解机械elastronics体内的生物相容性,植入科学家独立的薄膜设备通过将它免费移动小鼠坐骨神经的6周。相比之下,他们也植入软塑料袖口电极由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜的黄金(Au)。

因为工作电极的杨氏模量比低几级传统的植入探针。刘等人预期显著降低机械device-tissue接口不匹配,因此,降低免疫反应。正如预期的那样,他们没有观察免疫反应;用荧光强度测量坐骨神经的神经纤维细丝地区MECH植入电极,但观察到荧光强度显著降低塑料袖口电极植入。塑料袖口电极也引起重大神经束周围炎性组织生长。相对,工作电极只诱导最小炎性组织生长。结果显示增强生物相容性的机械组织在动态运动,随着外科实用性在移植的过程中。

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低压体内神经刺激。)示意图的体内神经刺激试验装置微电极。腿摆动的大小是由一个电极刺激0.2毫米×3毫米,和个人脚趾运动是通过微电极的局部刺激。b)的投影的三维重建的共焦显微图机械微电极在一个软弹性衬底顺从地包装在坐骨神经。神经丝(红色)被用来标记神经元。弯曲透明表PFPE-DMA,而黑暗的线电极装置。c)横断面图像沿虚线在b。坐骨神经的外表面(红色)在密切接触机甲电极(橙色)。d)脚趾运动的响应在不同刺激频率与电荷平衡电压脉冲(脉冲宽度200μs,脉冲幅度500 mV)。e)的百分比腿运动对运动的完整程度不同激励电压下工作电极和铂电极接触相同的区域。f)浸泡在PBS 2个月后,机械刺激电极更高比例的腿运动对完整程度的运动在50 mV和100 mV。 Credit: Nature Biomedical Engineering, doi: https://doi.org/10.1038/s41551-018-0335-6

作为一种新颖的生物材料,装置包含一个多孔微体系结构,良好的电子和离子双导,减少界面阻抗和高容量电容在生理条件下。通过优化电极的设计,刘等人能够提供励磁电流密度高达10 mAcm−2神经调节的超低电压50 mV,相比之下同样尺寸的铂电极需要至少500 mV。

刘等人优化参数设计一个决定生物材料与所需的设备微体系结构使用精密加工技术(机械),可转换的软医疗电子产品。开发的新设备和互联神经调节模仿周围的生物力学特性的生理组织组织如电子产品。这种策略显著降低机械bioelectronic界面增强机械耦合的差异显著降低免疫反应,长期植入生物系统所必需的。

科学家们期待包括机械elastronics植入设备为临床有利的应用程序在脑深部和迷走神经刺激。刘和同事想象附加功能,如系统集成和大规模的微电极电生理记录和生物分子传感。他们将进一步优化和翻译机械elastronics从实验室到临床生产新一代多功能和小型软电子产品。


进一步探索

团队开发简单的水凝胶改性方法对可伸缩的和透明的电子产品

更多信息:宇新刘et al。柔软而弹性hydrogel-based微电子局部低压神经调节,自然生物医学工程(2019)。DOI: 10.1038 / s41551 - 018 - 0335 - 6

Morten l . Kringelbach et al。脑深部电刺激的转化原则,神经系统科学自然评论(2007)。DOI: 10.1038 / nrn2196

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引用局部低压神经调节:Elastronics-hydrogel-based微电子(2019年1月21日)检索2021年4月15日从//www.puressens.com/news/2019-01-elastronicshydrogel-based-microelectronics-localized-low-voltage-neuromodulation.html
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