受寿司启发！柔性电子女神，鲍哲南院士，最新Nature！

受寿司启发，制作出高密度柔性电子丝

在医疗和科研领域，人们对“多模态感知与刺激”的需求越来越高。我们需要能同时测量压力、化学信号、电活动的设备，还希望它们柔软、微小、能长期稳定地工作。然而，传统的一维电子纤维却存在不少痛点：刚性强、元件布局精度差、功能单一、集成度低。其根源在于，常规的微纳加工技术（比如光刻）并不适用于又细又长的曲面结构。于是，如何在细丝般的纤维里“装下”成百上千个功能器件，成了全球科学家的难题。

在此，斯坦福大学鲍哲南院士联合James C.Y. Dunn教授带来了突破性答案。他们创造了一种新型“螺旋神经丝”（Spiral-NeuroString，简称 S-NeuroString）：通过“二维薄膜到一维纤维”的螺旋转化，把成片微纳器件紧密卷入柔性纤维中，实现了极高的器件密度和多功能集成。凭借其卓越的柔软性和生物相容性，这根纤维在小鼠大脑和猪肠道中均表现出优异性能：能实现长达4个月的单神经元记录，也能在活体动物肠道中实现连续运动监测和电刺激，甚至达到1280通道的超高集成水平。相关成果以“High-density soft bioelectronic fibres for multimodal sensing and stimulation”为题发表在《Nature》上，第一作者为Muhammad Khatib, Eric Tianjiao Zhao和 Shiyuan Wei为共同一作。

从二维到一维：螺旋神经丝的设计和制造

研究团队的灵感来自于“卷寿司”。他们先在二维弹性薄膜上完成常规的微加工，再把薄膜螺旋卷起，变成一根柔性电子纤维（图1a）。这种“螺旋转化”使得原本稀疏分布的器件被高效压缩，密度提升可达百倍以上。比如，一张30毫米宽的薄膜，上面有150个传感器；卷成直径250微米的细丝后，同样数量的器件被“塞进”0.25毫米的宽度里，密度提升了120倍（图1c）。更令人惊喜的是，这根纤维柔软到能和头发媲美（图1d），还可以轻松打结、缝进织物里（图1e）。这意味着，它不仅适合植入体内，还具备拓展到可穿戴织物的潜力。换句话说，科研人员第一次把“高密度、多功能、柔软可弯”的电子元件真正做进了一根细丝里。

图1：螺旋神经丝的设计和制造

螺旋设计的奥秘

为什么螺旋转化能带来这么大提升？答案在于“卷”出来的三维结构（图2a）。团队通过调控薄膜宽度和厚度，精准控制纤维直径，从180微米到360微米都能实现（图2b）。不同材料的选择还能调节纤维柔韧性：模量越低，纤维越柔软（图2c）。同时，研究人员还展示了“定制布局”的可能：有的传感器布置在纤维表面，用于直接接触组织；有的则藏在纤维内部，用于压力、温度等信号的采集（图2d）。更妙的是，纤维中还可以嵌入光纤导光或中空通道，实现给药、流体传输（图2e）。这使得螺旋神经丝不仅是“传感器集合体”，更是一个可扩展的多功能平台。

图2 ： 螺旋转化与功能拓展

在肠道里“听”运动

人体肠道结构弯曲复杂，还在不断蠕动，这对任何植入设备都是极大挑战。传统“胶囊探针”虽能记录信息，但笨重、刚硬，难以实现多点实时监测。螺旋神经丝的出现，彻底改变了这一局面。研究人员首先在小鼠结肠做了测试。直径仅300微米的纤维被插入结肠后，不仅没有干扰蠕动，还能精准感知运动信号。更重要的是，当研究者施加电脉冲时，纤维还能引导肠道产生规律收缩（图3a–c）。随后，他们把实验搬到更接近临床的猪体内。在清醒状态下，螺旋神经丝连续几天采集到肠道运动数据，甚至捕捉到明显的昼夜节律：中午活动最强，午夜最弱（图3d）。它还能分辨不同频率的收缩波，从每分钟2次到18次都有记录（图3e）。更令人振奋的是，研究者发现电刺激能双向调节蠕动——有时能增强，有时能抑制（图3h–j）。这意味着，未来医生可以依赖这样的纤维设备，实时监控并精准干预术后肠功能异常。

图3 ： 肠道中的连续监测与刺激

在大脑中“听”神经元

除了肠道，螺旋神经丝在大脑中的表现同样亮眼。团队制作了直径150微米的神经探针，把32个电极分布在1.6毫米的区域内，形成类似“电极四胞体”的阵列（图4a,b）。这种布局让探针能够长期稳定记录单个神经元的放电信号。在活体小鼠实验中，纤维植入海马区后，神经元信号持续稳定超过16周（图4d–h）。借助高密度电极，研究人员还能追踪同一神经元的活动，甚至观察到与记忆巩固相关的“锐波涟漪”（SWRs）事件（图4n,o）。更进一步，螺旋神经丝还能与光纤结合，实现光遗传学调控：当光纤在大脑特定区域释放激光时，探针能同步记录到神经元活动的变化（图4p,q）。这为未来同时“读写”大脑电信号打开了新大门。

图4 ：大脑中的单神经元记录

展望：柔性电子的未来

螺旋神经丝的问世，不仅在工程上实现了“把二维变成一维”的奇思妙想，更展示了柔性电子在临床和科研中的巨大潜力。它小巧、柔软、功能丰富，既能深入脑区进行单神经元长期监测，又能在肠道中实现实时感知与精准干预，还能扩展到光学、化学等多模态功能。未来，这项技术或将推动一系列新应用：婴幼儿肠功能监护、神经退行性疾病研究、甚至“脑-肠轴”长期追踪。同时，凭借纤维形态，它也可能走向智能织物、可穿戴设备和软体机器人领域。可以预见，这根柔软的“电子丝”，正在悄悄编织起医疗与智能科技的未来图景

来源：高分子科学前沿

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