【集萃網(wǎng)觀察】
神經(jīng)電極在獲取神經(jīng)電信號(hào)方面起著重要作用，因此有利于健康監(jiān)測(cè)和醫(yī)學(xué)診斷。根據(jù)植入方式的不同，神經(jīng)電極可分為神經(jīng)內(nèi)電極和神經(jīng)外電極。由于神經(jīng)內(nèi)電極存在損傷軸突和血管的可能性，因此無(wú)創(chuàng)的神經(jīng)外電極是首選。與神經(jīng)內(nèi)電極相比，附著在神經(jīng)上的神經(jīng)外電極在減少神經(jīng)損傷方面有很大的優(yōu)勢(shì)。神經(jīng)外電極面臨的最大挑戰(zhàn)是其電極-神經(jīng)界面在神經(jīng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的不穩(wěn)定性。
受碳納米管優(yōu)良機(jī)械特性的啟發(fā)，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所與北京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種自適應(yīng)、可伸縮、生物相容的碳烯體外電極。該電極將剛性的二維石墨烯納米片集成在軟碳納米管(CNT)纖維上，其中硬質(zhì)納米片和軟質(zhì)納米管以sp2納米碳為主。由于碳納米管纖維柔性和堅(jiān)固的特性，雜化碳電極可以方便地定制成各種復(fù)雜的形狀，其機(jī)械模量范圍很寬(0.5~600 kPa)，這于神經(jīng)的機(jī)械匹配方面發(fā)揮了重要作用。此外，雜化碳烯纖維還具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和極高的生物相容性。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的金屬電極相比，碳烯電極表現(xiàn)出更好的性能，峰-峰值的動(dòng)作電位比商品鉑電極要高310%。綜上所述，此研究提出了一種組裝可裁剪、生物相容性好的碳電極的新策略，為下一代神經(jīng)電極的設(shè)計(jì)開辟了一條新的途徑。相關(guān)工作以題為“Modulus-Tailorable, Stretchable, and Biocompatible Carbonene Fiber for Adaptive Neural Electrode”的研究論文，發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。 雜化碳烯纖維的設(shè)計(jì)和制備 研究采用模板誘導(dǎo)法，先將軟碳納米管纖維粘在模板上。然后，通過(guò)無(wú)催化劑的熱化學(xué)氣相沉積工藝在CNT襯底上生長(zhǎng)剛性石墨烯納米片（highly disordered graphene nanosheets，HDGNs），最終將其從模板中拿出后仍保持預(yù)定的復(fù)雜形狀。對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)合，通過(guò)改變模板的形狀可以方便地定制雜化碳纖維的形狀。
混合碳烯纖維的基本機(jī)械和電氣性能
為了解碳纖維的本征力學(xué)性能，研究首先對(duì)直接混雜的碳烯纖維進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)。結(jié)果表明，隨著沉積時(shí)間的增加，碳烯纖維的楊氏模量有明顯增加，而韌性卻明顯降低。碳納米管粗纖維的拉伸強(qiáng)度為1.0 GPa左右，楊氏模量為30.1 GPa左右，韌性為38.0 MJ／m3左右。另一方面，碳烯彈簧在0~700%應(yīng)變范圍內(nèi)的整個(gè)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如下圖C所示，從而證明文章所提出的碳烯彈簧具有很好的柔韌性。HDGNs的引入還會(huì)影響材料的電學(xué)性能。雖然碳納米管纖維具有高達(dá)1.5×105 S／m的良好導(dǎo)電性，比大多數(shù)碳材料的導(dǎo)電性更好，但通過(guò)在其表面涂覆HDGNs可以進(jìn)一步提高其導(dǎo)電性。
混合碳烯彈簧作為神經(jīng)電極的實(shí)驗(yàn)
研究將混合碳烯彈簧的電極植入牛蛙坐骨神經(jīng)表面以記錄動(dòng)作電位（AP）。在坐骨神經(jīng)的一端采用一根鉑絲作為刺激電極，而在另一端采用兩個(gè)混合碳烯彈簧電極作為記錄電極。由于彈簧電極具有良好的形狀恢復(fù)性能和在大變形下的電導(dǎo)率穩(wěn)定性，彈簧電極可以在動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中緊密地附著在神經(jīng)上并傳遞信號(hào)。在一系列單相矩形波刺激下，誘發(fā)的AP沿神經(jīng)傳遞，并經(jīng)由彈簧電極記錄。由于雜化羰基光纖具有突出的電性能和機(jī)械性能，得到的信號(hào)顯示出較高的信噪比。采用恒定頻率為0.5 Hz、寬度為2ms的不同刺激電壓，產(chǎn)生一系列AP。誘發(fā)的AP峰值隨外加刺激電壓的增加而增加，在電壓達(dá)到1.6V后保持穩(wěn)定，這可能與神經(jīng)細(xì)胞的飽和跨膜電位有關(guān)。值得注意的是，碳電極記錄的AP明顯高于Pt電極。結(jié)果顯示，碳烯電極表現(xiàn)出比傳統(tǒng)金屬電極更好的性能，其峰-峰AP比Pt電極高310%。
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