紐約州立大學(xué)饒思圓、汪前彬 Nat. Commun.： 通過調(diào)整聚合物的無定形-結(jié)晶轉(zhuǎn)變開發(fā)了微結(jié)構(gòu)水凝膠生物電子器件
北京時(shí)間4月26日，美國紐約州立大學(xué)賓漢姆頓分校饒思圓實(shí)驗(yàn)室和汪前彬?qū)嶒?yàn)室在《Nature Communications》發(fā)表了題為“Control of polymers’ amorphous-crystalline transition enables miniaturization and multifunctional integration for hydrogel bioelectronics”的研究論文。
由于其高彈性和低楊氏模量，柔性材料能夠適應(yīng)神經(jīng)組織的生理環(huán)境并減少對神經(jīng)組織的損傷，從而使外部設(shè)備能夠與神經(jīng)系統(tǒng)建立良好的連接。諸如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、環(huán)烯烴共聚物（COCE）和水凝膠等彈性聚合物已被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)刺激、電生理記錄、藥物傳遞和神經(jīng)遞質(zhì)檢測。然而，這些設(shè)備中的微結(jié)構(gòu)通常只限于二維，且依賴于復(fù)雜的制造技術(shù)，如光刻和微型打印。另一種制備方法——熱拉伸法，允許多功能聚合物纖維由大到小地集成，這需要匹配材料屬性，如玻璃轉(zhuǎn)變溫度、熔點(diǎn)以及熱膨脹系數(shù)。但高溫工藝限制了聚合物的選擇，尤其是那些用于生物電子設(shè)備的高含水量聚合物。
為了更好地適應(yīng)神經(jīng)系統(tǒng)，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種多功能水凝膠生物電子設(shè)備。研究團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)設(shè)計(jì)，即通過控制半結(jié)晶水凝膠的無定形-結(jié)晶轉(zhuǎn)變來限制聚合物鏈在其納米晶體結(jié)構(gòu)中的擴(kuò)張，從而使水凝膠在水合狀態(tài)下保持其設(shè)計(jì)的體積。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一套交聯(lián)化學(xué)反應(yīng)和微制造過程來控制聚乙烯醇（PVA）水凝膠中聚合物晶體領(lǐng)域的生長。在生理?xiàng)l件下（pH 6–8，37°C）的水合狀態(tài)中始終能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定且可調(diào)的體積減少。通過酸化處理以影響聚合物鏈的相互作用，并引入四乙基硅酸酯（TEOS）和戊二醛（GA）作為雙重交聯(lián)劑，有效地控制了聚合物的晶體（約3.5nm）并增加了水凝膠的折射率。通過拉伸變形進(jìn)一步誘導(dǎo)了納米晶體的定向，從而促進(jìn)了納米尺度的各向異性結(jié)構(gòu)的生成。這種控制變質(zhì)聚合物無定形-結(jié)晶轉(zhuǎn)變（COMPACT）策略使得水合狀態(tài)下水凝膠纖維的直徑減少了79.7%，同時(shí)保持了高延展性（139.3-169.2%）、相對較低的彈性模量（2.8–9.3 MPa）和低彎曲剛度（4.6±1.4 N/m）。利用此技術(shù)，研究者能夠?qū)⑺z電極和光纖集成到微米級別，并且這些光纖可用于在小鼠的自由行為學(xué)活動(dòng)中從深部腦區(qū)傳遞和收集光信號，集成的光纖和電極可用于光遺傳學(xué)刺激和電信號的采集。 為了進(jìn)一步探索PVA水凝膠的可控微型化特性，并保留其有益特性，研究者通過控制變質(zhì)聚合物的無定形-結(jié)晶轉(zhuǎn)變來設(shè)計(jì)制造方法，主要包括：(i) 使用多種交聯(lián)劑進(jìn)行聚合物鏈的折疊和固定；(ii) 干預(yù)水凝膠基質(zhì)中分子間鏈的相互作用；(iii) 誘導(dǎo)納米晶體領(lǐng)域的有序生長。研究團(tuán)隊(duì)采用COMPACT策略，遵循三個(gè)主要步驟來控制單個(gè)聚合物鏈的折疊、聚合物鏈網(wǎng)絡(luò)的相互作用以及納米晶體的生長。首先，通過均質(zhì)化過程在PVA溶液中引入TEOS的水解（見圖1a），然后加入了通用交聯(lián)劑GA。通過選擇兩種交聯(lián)劑的組合，既可以通過共價(jià)鍵控制聚合物鏈的移動(dòng)性，也可以調(diào)節(jié)水凝膠的折射率。接著，研究者通過酸化處理促進(jìn)了水凝膠中分子間鏈的相互作用。為了驗(yàn)證COMPACT策略是否能在水合狀態(tài)下保持水凝膠的體積收縮，研究團(tuán)隊(duì)接下來檢測了交聯(lián)水凝膠在原始、干燥和重新水合狀態(tài)下的尺寸和水分比例（見圖1b-e）。
圖1 COMPACT水凝膠微觀集成的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
利用COMPACT技術(shù)實(shí)現(xiàn)的水合狀態(tài)下水凝膠的尺寸縮減，研究者開發(fā)了一系列具有可控直徑和可調(diào)光學(xué)及機(jī)械屬性的水凝膠纖維。通過改變無機(jī)交聯(lián)劑（TEOS）的含量、進(jìn)行酸化處理和施加外部機(jī)械拉伸，研究者繪制了一個(gè)全面的收縮圖（見圖2a）。通常情況下，增加交聯(lián)劑的交聯(lián)密度會(huì)使得聚合物鏈更加不易拉伸，并在水合時(shí)減小尺寸。酸化處理顯著提高了不同交聯(lián)密度下的收縮百分比，而機(jī)械靜態(tài)拉伸則進(jìn)一步縮小了水凝膠纖維的直徑（79.7 ± 2.3%）。為了將COMPACT技術(shù)融入實(shí)用的模具制造過程，研究者測試了使用不同尺寸硅模具制造的一系列水凝膠纖維（圖2b）。不受模具大小限制，所有COMPACT水凝膠纖維的直徑均縮小超過79%，與收縮圖（圖2a）保持一致。例如，使用內(nèi)徑為300μm的硅模具，制造了直徑為80 ± 4 微米的細(xì)水凝膠纖維。此外，通過COMPACT技術(shù)，這些水凝膠還實(shí)現(xiàn)了高折射率（圖2c）、低楊氏模量、高拉伸性（圖2d）和低彎曲剛度（圖2e）。在模擬生理環(huán)境的體外測試中，COMPACT水凝膠展示了良好的微縮穩(wěn)定性（圖2f）和生物相容性（圖2g）。
圖2 COMPACT水凝膠可調(diào)控的不同性質(zhì)
通過利用COMPACT技術(shù)精確控制水凝膠的折射率，研究者開發(fā)了具有顯著折射率對比的光纖-包層水凝膠纖維（ncore = 1.40, ncladding = 1.34）。為了驗(yàn)證這些水凝膠纖維在生物體內(nèi)光學(xué)傳輸?shù)挠行裕芯空咴谛∈笊畈磕X區(qū)（VTA）注射含遺傳編碼的鈣指示劑（hSyn::GCaMP6s）的腺相關(guān)病毒（AAV），隨后植入了COMPACT光纖。他們使用fiber photometry系統(tǒng)收集鈣指示劑的熒光變化（見圖3e和g）。通過DeepLabCut無標(biāo)記姿態(tài)估計(jì)和自定義的MATLAB算法，分析小鼠社交互動(dòng)，發(fā)現(xiàn)鈣指示劑的熒光強(qiáng)度的增加與小鼠社交互動(dòng)時(shí)期密切相關(guān)（圖3f和h）。這種光纖技術(shù)將細(xì)胞層面的神經(jīng)活動(dòng)與系統(tǒng)神經(jīng)科學(xué)行為評估相結(jié)合，為探索神經(jīng)回路與行為之間的因果關(guān)系提供了重要工具，對神經(jīng)科學(xué)研究具有重要的價(jià)值。
圖3 COMPACT水凝膠可光纖用于小鼠社交行為中的光傳導(dǎo)和記錄
水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以整合各種納米級材料，不僅擴(kuò)展了其功能性，同時(shí)還保持了良好的可拉伸性。為了增強(qiáng)水凝膠神經(jīng)探針在電記錄方面的功能，研究者在水凝膠交聯(lián)過程中加入了導(dǎo)電的碳納米管（CNTs）。通過酸化處理促進(jìn)聚合物鏈之間的相互作用，并通過機(jī)械拉伸幫助CNTs納入聚合物網(wǎng)絡(luò)中，確保其與PVA鏈的緊密纏繞，形成了一個(gè)具有良好電導(dǎo)性的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)。為了驗(yàn)證CNTs-PVA水凝膠電極在體內(nèi)電生理記錄的有效性，研究者將這些電極植入小鼠的VTA區(qū)，記錄了在持續(xù)麻醉下小鼠的神經(jīng)元自發(fā)活動(dòng)（見圖4g-i），并在主成分分析（PCA）中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)明顯的尖峰群。這些尖峰活動(dòng)的信噪比（SNR）約為3.73，波形具有重復(fù)性。在水凝膠微型化的過程中，COMPACT策略為多組件集成提供了可能。由于具有不同折射率的核-包層結(jié)構(gòu)確保了光纖心中的光傳輸，研究者在包層中集成了兩個(gè)CNTs水凝膠電極，并以COMPACT水凝膠為核心（見圖4j）。一種名為光電極的水凝膠光電設(shè)備（圖4k），旨在實(shí)現(xiàn)光學(xué)調(diào)制與電生理記錄的同步進(jìn)行。在轉(zhuǎn)基因Thy1::ChR2-EYFP小鼠中，通過水凝膠光纖傳遞的藍(lán)光脈沖（波長=473nm，0.5Hz，脈寬50ms，10mW/mm2）一致地激活了VTA中表達(dá)ChR2的神經(jīng)元，而神經(jīng)電信號則通過CNTs-PVA水凝膠電極收集（圖4l-m）。光學(xué)誘發(fā)的電位在植入后10周內(nèi)與光刺激的開始時(shí)間一致地被重復(fù)捕獲（圖4n, o）。這種同時(shí)進(jìn)行雙向刺激和記錄的光學(xué)與電學(xué)模式為研究大腦功能提供了一種全面的方法。
圖3 COMPACT水凝膠微觀集成生物電子器件
總而言之COMPACT策略是一種自下而上的方法，通過調(diào)整聚合物的無定形-結(jié)晶轉(zhuǎn)變來創(chuàng)建微結(jié)構(gòu)水凝膠生物電子器件。這種方法提供了一種可擴(kuò)展、可控的制造工藝，用于生產(chǎn)微結(jié)構(gòu)水凝膠纖維，適用于與小鼠行為實(shí)驗(yàn)同步的神經(jīng)調(diào)制和記錄。COMPACT水凝膠將高長寬比的納米材料整合到聚合物基質(zhì)中，提高了電導(dǎo)率，同時(shí)保持粘彈性屬性。這些水凝膠優(yōu)于傳統(tǒng)的軟生物電子器件制造方法，如光刻，提供了一種經(jīng)濟(jì)有效且高效的解決方案，而無需先進(jìn)的設(shè)施。通過這種技術(shù)開發(fā)的多功能水凝膠神經(jīng)探針支持雙向光學(xué)記錄和與神經(jīng)活動(dòng)相關(guān)的電記錄，這些活動(dòng)由小鼠中的光觸發(fā)。通過整合微流控通道等功能，可以增加藥物傳遞等附加功能，擴(kuò)展這些生物電子器件的能力。這種策略不僅簡化了軟材料的制造過程，還促進(jìn)了多個(gè)功能組件在單個(gè)設(shè)備中的整合，提高了功能界面的密度，并能全面探索復(fù)雜的生物系統(tǒng)。
這項(xiàng)工作的第一作者為紐約州立大學(xué)賓漢頓分校黃思喆，紐約州立大學(xué)賓漢頓分校饒思圓和汪前彬教授。
原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47988-w
