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可植入生物体内的碳烯纤维电极
发布时间:2021-11-15   点击次数:91次

神经电极在获取神经电信号方面起着重要作用,因此有利于健康监测和医学诊断。根据植入方式的不同,神经电极可分为神经内电极和神经外电极。由于神经内电极存在损伤轴突和血管的可能性,因此无创的神经外电极是首选。与神经内电极相比,附着在神经上的神经外电极在减少神经损伤方面有很大的优势。神经外电极面临的最大挑战是其电极-神经界面在神经运动过程中的不稳定性。

受碳纳米管优良机械特性的启发,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所与北京大学研究团队设计了一种自适应、可伸缩、生物相容的碳烯体外电极。该电极将刚性的二维石墨烯纳米片集成在软碳纳米管(CNT)纤维上,其中硬质纳米片和软质纳米管以sp2纳米碳为主。由于碳纳米管纤维柔性和坚固的特性,杂化碳电极可以方便地定制成各种复杂的形状,其机械模量范围很宽(0.5~600 kPa),这于神经的机械匹配方面发挥了重要作用。此外,杂化碳烯纤维还具有优良的导电性和极高的生物相容性。结果表明,与传统的金属电极相比,碳烯电极表现出更好的性能,峰-峰值的动作电位比商品铂电极要高310%。综上所述,此研究提出了一种组装可裁剪、生物相容性好的碳电极的新策略,为下一代神经电极的设计开辟了一条新的途径。相关工作以题为“Modulus-Tailorable, Stretchable, and Biocompatible Carbonene Fiber for Adaptive Neural Electrode”的研究论文,发表在《Advanced Functional Materials》上。

 

杂化碳烯纤维的设计和制备

研究采用模板诱导法,先将软碳纳米管纤维粘在模板上。然后,通过无催化剂的热化学气相沉积工艺在CNT衬底上生长刚性石墨烯纳米片(highly disordered graphene nanosheets,HDGNs),最终将其从模板中拿出后仍保持预定的复杂形状。对于不同的应用场合,通过改变模板的形状可以方便地定制杂化碳纤维的形状。

 

具有独特性能的杂化碳烯纤维的设计

 

混合碳烯纤维的基本机械和电气性能

为了解碳纤维的本征力学性能,研究首先对直接混杂的碳烯纤维进行了拉伸试验。结果表明,随着沉积时间的增加,碳烯纤维的杨氏模量有明显增加,而韧性却明显降低。碳纳米管粗纤维的拉伸强度为1.0 GPa左右,杨氏模量为30.1 GPa左右,韧性为38.0 MJ/m3左右。另一方面,碳烯弹簧在0~700%应变范围内的整个应力-应变曲线如下图C所示,从而证明文章所提出的碳烯弹簧具有很好的柔韧性。HDGNs的引入还会影响材料的电学性能。虽然碳纳米管纤维具有高达1.5×105 S/m的良好导电性,比大多数碳材料的导电性更好,但通过在其表面涂覆HDGNs可以进一步提高其导电性。

 

混合碳烯纤维的基本机械和电气性能

 

杂化碳烯纤维的结构分析

 

混合碳烯弹簧作为神经电极的实验

研究将混合碳烯弹簧的电极植入牛蛙坐骨神经表面以记录动作电位(AP)。在坐骨神经的一端采用一根铂丝作为刺激电极,而在另一端采用两个混合碳烯弹簧电极作为记录电极。由于弹簧电极具有良好的形状恢复性能和在大变形下的电导率稳定性,弹簧电极可以在动态运动过程中紧密地附着在神经上并传递信号。在一系列单相矩形波刺激下,诱发的AP沿神经传递,并经由弹簧电极记录。由于杂化羰基光纤具有突出的电性能和机械性能,得到的信号显示出较高的信噪比。采用恒定频率为0.5 Hz、宽度为2ms的不同刺激电压,产生一系列AP。诱发的AP峰值随外加刺激电压的增加而增加,在电压达到1.6V后保持稳定,这可能与神经细胞的饱和跨膜电位有关。值得注意的是,碳电极记录的AP明显高于Pt电极。结果显示,碳烯电极表现出比传统金属电极更好的性能,其峰-峰AP比Pt电极高310%。

 

混合碳烯弹簧作为神经电极的应用

 

全文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202107360

 

(来源:高分子科学前沿)

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