剑桥团队制备新型神经袖套，实现最小侵入性外周神经接口，助力治疗神经疾病和假肢控制

英国皇家科学院院士、欧洲科学院院士、英国剑桥大学菲利普亲王讲席教授乔治·马利阿拉斯（George Malliaras），是有机生物电子领域的领军人物，相关论文已获得 50000 余次引用，h-index 高达 120。

前不久，该团队的玛丽居里博士后研究员董超群（博士毕业于瑞士洛桑联邦理工学院），和同事打造出一款新型柔性神经接口技术，借此制备出一种“可体内植入的电化学致动微电极”（即柔性神经袖套）。

图 | 董超群（来源：董超群）

本次器件以四微米的高分子聚合物薄膜为基底，整个器件厚度在十微米左右，比家用保鲜膜还要薄, 放在手里几乎感受不到它的存在。

（来源：Nature Materials）

通过施加一个极其微小的电压，这种薄如蚕丝的器件，能够精确灵活地稳定缠绕在神经上，从而实现侵入性最小的外周神经接口。

借此可以实现更安全、更有效的神经接口，为神经系统疾病的微创诊疗和假肢控制提供了全新方案。

具体来说，本次技术可被用于一系列神经系统疾病，比如癫痫和慢性疼痛的诊断和治疗。

并可以进行假肢控制，有望大幅降低手术的侵入性和风险性。

不仅如此，针对手术过程中的神经活动监测，本次技术还能提供简单易操作的策略，提高手术的成功率。

与此同时，本次技术采用薄膜电子袖套设计，可以自行卷成小小一束，从而放到针头里面。

这样一来，就能在微创手术过程中经皮植入，然后由临床医生操控进行原位展开、以及再次进行卷曲。

通过此，可以将器件放置到传统手术难以触及的神经分布高度复杂的部位，针对听觉、视觉、痛觉神经进行控制，从而避免采取将植入物放置脑内的传统型强侵入式手术方案。

（来源：Nature Materials）

神经系统疾病多达 600 多种，困扰人类已有多年

据世界卫生组织报道，神经系统疾病已对全球超过三分之一的人造成影响，是致病、致残的主要原因之一。

神经系统疾病种类多达 600 多种，包括癫痫、中风、偏头痛、阿尔兹海默症、帕金森氏症等。

这给很多个人和家庭带来了巨大的痛苦，不仅剥夺了劳动力，也给社会和国家带来很多损失。

放眼全球，针对这些神经系统疾病的监测、诊断和治疗始终是一个棘手难题。

据了解，周围神经病变——指的是大脑和脊髓以外的神经受到损伤，通常会导致疼痛、麻木，而且还会影响消化和排尿等身体功能。

对于患有周围神经疾病的患者来说，其疼痛为刀割一般的灼痛或刺痛，这种病痛、以及对于身体功能的影响，严重降低了患者的生活质量。

令人惊喜的是，植入式生物电子器件可被用来阻断神经信号或刺激神经信号。

作为一种精准型治疗方案，这类器件不仅为患者带来了新希望，而且还能实现假肢控制。

例如，可以通过阻断疼痛信号来缓解顽固性疼痛，或通过向神经发送刺激电信号来恢复瘫痪肢体的运动。

然而，目前用于外周神经接口的电子器件，不仅设计过时、而且电极阵列分辨率低, 无法适应不同直径大小的神经纤维。

在这种情况之下：

如果接触过紧，会对神经施加压力，导致血液流通受阻和神经功能退化；

如果接触较松，会导致电接触不良并会导致电极移位。

另外，这些装置在植入过程中需要复杂的手术操作，导致神经损伤的风险较高。

那么，到底如何才能在实现高质量神经刺激和信号记录的同时，降低神经损伤和手术风险？

一直以来，董超群非常感兴趣于医疗健康、尤其是神经系统疾病的研究。

此前，在瑞士洛桑联邦理工学院读博期间，她在软体材料和电子器件方面打下了一定基础。

博士毕业之后，其打算继续从事博士后研究，并希望着重探索神经系统疾病。

人类的所有活动比如内部器官的机能、身体动作、知觉、甚至是感情，均会受到神经系统的控制。

“如果我能通过材料和器件的研发，来帮助人们理解这些疾病，或者通过降低手术的侵入性和副作用来提高治疗成功率以及减少病痛，那我认为我的付出就是有价值的。”董超群说。

于是，她联系到剑桥大学乔治·马利阿拉斯（George Malliaras）教授（即董超群目前的博后导师），询问并商讨申请瑞士博士后基金的可能。

图 | 乔治·马利阿拉斯（George Malliaras）（来源：资料图）

乔治教授是国际有机半导体和有机生物电子方面的领军人物。“而本次工作的创意正是在我们商讨的过程中产生的，结合了我以往在软体驱动、软材料制备、电化学、以及电子器件方面的知识和经验。”董超群说。

之后，董超群开展进一步的文献调研和初步设计，发现确实可行之后撰写了博士后基金申请书，并顺利获得基金资助。

与大鼠坐骨神经紧密接触，形成自闭合神经电子接口

2021 年 11 月，她正式来到剑桥大学进行博士后研究。当时，该实验室并没有人做过电化学驱动方向的课题。

为了完成本次研究，董超群主导了材料制备和测试装置的搭建。

而尽管自己并没有微纳加工的经历，但是在该课题组其他同事的帮助之下，董超群很快学会了制备高精度的薄膜电子器件。

经过不断测试与优化，最终达到了预期效果：即便在无外部电压的条件下，器件也能和细小神经形成有效接触。

概括来说，该团队结合软体机器人和柔性微电子的最新进展，提出了这种新型柔性神经接口技术。

研究中，课题组将导电聚合物软致动器与低阻抗微电极加以有效结合。

凭借超薄的特性，上述结合能够很好地保证器件的形状适应性，从而与具有高度复杂形状的物体实现柔性贴合。

通过施加不到一伏的极低电压，柔性神经袖套就可以轻柔地主动抓取、或缠绕在细小且脆弱的外周神经，而不会对其造成损伤。

实验表明：在活体大鼠模型中，这种装置能与大鼠坐骨神经紧密接触，并能形成可靠的自闭合神经电子接口。

和传统袖套设计不同的是，这种新型技术无需使用手术缝合线或胶水，就能确保接口的紧密性和稳定性。

而这种软体电化学致动器与神经接口微电极阵列的无缝结合，能为实现侵入性最小的术中神经活动监测和高质量生物电子接口提供新的方法。

（来源：Nature Materials）

“观察太久出现幻觉了？”

研究过程中还伴随着两件趣事。

研究伊始，董超群做了一个简易的电化学驱动薄膜，当给薄膜施加电压的时候，她期待能看到形变。但是，在多次实验之后，薄膜都没有产生任何形变。

经过多次优化和改进，薄膜终于可以微微抬起，但是董超群一开始有点不相信，以为是观察太久出现幻觉了。

于是，她再次优化制备过程，很快就有了从零到一的质的突破：薄膜器件不仅可以在极小电压下抬起，而且竟然可以像毯子一样卷成好几圈。

这时，董超群用手机录制了薄膜动作的视频，并第一时间来到导师乔治教授的办公室分享这一进展。

“他好像比我还要激动，还让我把视频发给他，方便他分享给朋友和合作者。”董超群说。

而在研究期间适逢圣诞节节期，有一次董超群无意中看到了路灯上的圣诞装饰。这激发了她的灵感：神经接口器件如果也像这样缠绕在神经纤维上面就好了。

如果可以做到的话，相比于传统的袖带，这种方式可以作用于更长一段神经，而且可以在神经直径发生变化的地方也能确保紧密接触。

于是，她开始思考如何做到这种变形。最初，她认为需要在设计中引入非对称性。

查阅一些文献之后，董超群更加确信了非对称性设计是形成螺旋变形的关键。

随后，她从最简单的设计和方法入手，将连续的电化学驱动部分做成一个个倾斜的条带。

在制备器件的时候，董超群使用的是高精度的方法，因此很容易造出这种分布式条带。

“测试的时候，果然是轻松就能以螺旋式变形，跟我期待的一模一样！”她说。

随后，她将本次成果整理为论文。最终，相关论文以《用于微创周围神经接口的电化学驱动微电极》（Electrochemically actuated microelectrodes for minimally invasive peripheral nerve interfaces）为题发在 Nature Materials（IF 41.2）。

董超群是第一作者，剑桥大学乔治·马利阿拉斯（George Malliaras）教授担任通讯作者 [1]。

图 | 相关论文（来源：Nature Materials）

接下来，课题组将在哺乳动物比如猪的外周神经上做进一步探究，并将研究器件在长时间神经信号采集与刺激方面的效果。

其也希望能有机会在人体上进行测试，实现相关的成果转化。

此外，该团队还将利用 AI 对器件采集的信号的进行提取和分析，以扩大该类型器件的可应用范围。

以及通过 AI 控制对于器件的刺激强度，以实现对软件器件动作的更加精确和实时的控制。

与此同时，他们也会继续开发新的软体机器人材料和器件，将这种原理应用到其他神经刺激或信号获取装置。

从而可以将其植入到大脑、脊髓中枢神经系统，进而为神经外科疾病的治疗，提供低风险的微创手术新方法。

参考资料：

1.Dong, C., Carnicer-Lombarte, A., Bonafè, F.et al. Electrochemically actuated microelectrodes for minimally invasive peripheral nerve interfaces. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01886-0

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