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神經(jīng)電極在獲取神經(jīng)電信號方面起著重要作用，因此有利于健康監(jiān)測和醫(yī)學診斷。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。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)運動過程中的不穩(wěn)定性。

受碳納米管優(yōu)良機械特性的啟發(fā)，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所與北京大學研究團隊設計了一種自適應、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固的特性，雜化碳電極可以方便地定制成各種復雜的形狀，其機械模量范圍很寬(0.5~600 kPa)，這于神經(jīng)的機械匹配方面發(fā)揮了重要作用。此外，雜化碳烯纖維還具有優(yōu)良的導電性和極高的生物相容性。結果表明，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)電極的設計開辟了一條新的途徑。相關工作以題為“Modulus-Tailorable, Stretchable, and Biocompatible Carbonene Fiber for Adaptive Neural Electrode”的研究論文，發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。

雜化碳烯纖維的設計和制備

研究采用模板誘導法，先將軟碳納米管纖維粘在模板上。然后，通過無催化劑的熱化學氣相沉積工藝在CNT襯底上生長剛性石墨烯納米片（highly disordered graphene nanosheets，HDGNs），最終將其從模板中拿出后仍保持預定的復雜形狀。對于不同的應用場合，通過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械和電氣性能

為了解碳纖維的本征力學性能，研究首先對直接混雜的碳烯纖維進行了拉伸試驗。結果表明，隨著沉積時間的增加，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%應變范圍內(nèi)的整個應力-應變曲線如下圖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的引入還會影響材料的電學性能。雖然碳納米管纖維具有高達1.5×105 S／m的良好導電性，比大多數(shù)碳材料的導電性更好，但通過在其表面涂覆HDGNs可以進一步提高其導電性。

混合碳烯彈簧作為神經(jīng)電極的實驗

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性能和在大變形下的電導率穩(wěn)定性，彈簧電極可以在動態(tài)運動過程中緊密地附著在神經(jīng)上并傳遞信號。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械性能，得到的信號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，在電壓達到1.6V后保持穩(wěn)定，這可能與神經(jīng)細胞的飽和跨膜電位有關。值得注意的是，碳電極記錄的AP明顯高于Pt電極。結果顯示，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%。

來源：高分子科學前沿