紐約州立大學饒思圓、汪前彬 Nat. Commun.： 通過調整聚合物的無定形-結晶轉變開發了微結構水凝膠生物電子器件
北京時間4月26日，美國紐約州立大學賓漢姆頓分校饒思圓實驗室和汪前彬實驗室在《Nature Communications》發表了題為“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，柔性材料能夠適應神經組織的生理環境并減少對神經組織的損傷，從而使外部設備能夠與神經系統建立良好的連接。諸如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、環烯烴共聚物（COCE）和水凝膠等彈性聚合物已被廣泛應用于神經刺激、電生理記錄、藥物傳遞和神經遞質檢測。然而，這些設備中的微結構通常只限于二維，且依賴于復雜的制造技術，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，如玻璃轉變溫度、熔點以及熱膨脹系數。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備的高含水量聚合物。
為了更好地適應神經系統，研究團隊開發了一種多功能水凝膠生物電子設備。研究團隊提出了一個設計，即通過控制半結晶水凝膠的無定形-結晶轉變來限制聚合物鏈在其納米晶體結構中的擴張，從而使水凝膠在水合狀態下保持其設計的體積。研究團隊開發了一套交聯化學反應和微制造過程來控制聚乙烯醇（PVA）水凝膠中聚合物晶體領域的生長。在生理條件下（pH 6–8，37°C）的水合狀態中始終能夠實現穩定且可調的體積減少。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。通過拉伸變形進一步誘導了納米晶體的定向，從而促進了納米尺度的各向異性結構的生成。這種控制變質聚合物無定形-結晶轉變（COMPACT）策略使得水合狀態下水凝膠纖維的直徑減少了79.7%，同時保持了高延展性（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，研究者能夠將水凝膠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活動中從深部腦區傳遞和收集光信號，集成的光纖和電極可用于光遺傳學刺激和電信號的采集。 為了進一步探索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聚合物的無定形-結晶轉變來設計制造方法，主要包括：(i) 使用多種交聯劑進行聚合物鏈的折疊和固定；(ii) 干預水凝膠基質中分子間鏈的相互作用；(iii) 誘導納米晶體領域的有序生長。研究團隊采用COMPACT策略，遵循三個主要步驟來控制單個聚合物鏈的折疊、聚合物鏈網絡的相互作用以及納米晶體的生長。首先，通過均質化過程在PVA溶液中引入TEOS的水解（見圖1a），然后加入了通用交聯劑GA。通過選擇兩種交聯劑的組合，既可以通過共價鍵控制聚合物鏈的移動性，也可以調節水凝膠的折射率。接著，研究者通過酸化處理促進了水凝膠中分子間鏈的相互作用。為了驗證COMPACT策略是否能在水合狀態下保持水凝膠的體積收縮，研究團隊接下來檢測了交聯水凝膠在原始、干燥和重新水合狀態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構設計
利用COMPACT技術實現的水合狀態下水凝膠的尺寸縮減，研究者開發了一系列具有可控直徑和可調光學及機械屬性的水凝膠纖維。通過改變無機交聯劑（TEOS）的含量、進行酸化處理和施加外部機械拉伸，研究者繪制了一個全面的收縮圖（見圖2a）。通常情況下，增加交聯劑的交聯密度會使得聚合物鏈更加不易拉伸，并在水合時減小尺寸。酸化處理顯著提高了不同交聯密度下的收縮百分比，而機械靜態拉伸則進一步縮小了水凝膠纖維的直徑（79.7 ± 2.3%）。為了將COMPACT技術融入實用的模具制造過程，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，使用內徑為300μm的硅模具，制造了直徑為80 ± 4 微米的細水凝膠纖維。此外，通過COMPACT技術，這些水凝膠還實現了高折射率（圖2c）、低楊氏模量、高拉伸性（圖2d）和低彎曲剛度（圖2e）。在模擬生理環境的體外測試中，COMPACT水凝膠展示了良好的微縮穩定性（圖2f）和生物相容性（圖2g）。
圖2 COMPACT水凝膠可調控的不同性質
通過利用COMPACT技術精確控制水凝膠的折射率，研究者開發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）。為了驗證這些水凝膠纖維在生物體內光學傳輸的有效性，研究者在小鼠深部腦區（VTA）注射含遺傳編碼的鈣指示劑（hSyn::GCaMP6s）的腺相關病毒（AAV），隨后植入了COMPACT光纖。他們使用fiber photometry系統收集鈣指示劑的熒光變化（見圖3e和g）。通過DeepLabCut無標記姿態估計和自定義的MATLAB算法，分析小鼠社交互動，發現鈣指示劑的熒光強度的增加與小鼠社交互動時期密切相關（圖3f和h）。這種光纖技術將細胞層面的神經活動與系統神經科學行為評估相結合，為探索神經回路與行為之間的因果關系提供了重要工具，對神經科學研究具有重要的價值。
圖3 COMPACT水凝膠可光纖用于小鼠社交行為中的光傳導和記錄
水凝膠的網絡結構可以整合各種納米級材料，不僅擴展了其功能性，同時還保持了良好的可拉伸性。為了增強水凝膠神經探針在電記錄方面的功能，研究者在水凝膠交聯過程中加入了導電的碳納米管（CNTs）。通過酸化處理促進聚合物鏈之間的相互作用，并通過機械拉伸幫助CNTs納入聚合物網絡中，確保其與PVA鏈的緊密纏繞，形成了一個具有良好電導性的連續網絡。為了驗證CNTs-PVA水凝膠電極在體內電生理記錄的有效性，研究者將這些電極植入小鼠的VTA區，記錄了在持續麻醉下小鼠的神經元自發活動（見圖4g-i），并在主成分分析（PCA）中發現了一個明顯的尖峰群。這些尖峰活動的信噪比（SNR）約為3.73，波形具有重復性。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-包層結構確保了光纖心中的光傳輸，研究者在包層中集成了兩個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備（圖4k），旨在實現光學調制與電生理記錄的同步進行。在轉基因Thy1::ChR2-EYFP小鼠中，通過水凝膠光纖傳遞的藍光脈沖（波長=473nm，0.5Hz，脈寬50ms，10mW/mm2）一致地激活了VTA中表達ChR2的神經元，而神經電信號則通過CNTs-PVA水凝膠電極收集（圖4l-m）。光學誘發的電位在植入后10周內與光刺激的開始時間一致地被重復捕獲（圖4n, o）。這種同時進行雙向刺激和記錄的光學與電學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，通過調整聚合物的無定形-結晶轉變來創建微結構水凝膠生物電子器件。這種方法提供了一種可擴展、可控的制造工藝，用于生產微結構水凝膠纖維，適用于與小鼠行為實驗同步的神經調制和記錄。COMPACT水凝膠將高長寬比的納米材料整合到聚合物基質中，提高了電導率，同時保持粘彈性屬性。這些水凝膠優于傳統的軟生物電子器件制造方法，如光刻，提供了一種經濟有效且高效的解決方案，而無需先進的設施。通過這種技術開發的多功能水凝膠神經探針支持雙向光學記錄和與神經活動相關的電記錄，這些活動由小鼠中的光觸發。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，還促進了多個功能組件在單個設備中的整合，提高了功能界面的密度，并能全面探索復雜的生物系統。
這項工作的第一作者為紐約州立大學賓漢頓分校黃思喆，紐約州立大學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
