受壽司啟發(fā)，制作出高密度柔性電子絲

在醫(yī)療和科研領域，人們對“多模態(tài)感知與刺激”的需求越來越高。我們需要能同時測量壓力、化學信號、電活動的設備，還希望它們?nèi)彳?、微小、能長期穩(wěn)定地工作。然而，傳統(tǒng)的一維電子纖維卻存在不少痛點：剛性強、元件布局精度差、功能單一、集成度低。其根源在于，常規(guī)的微納加工技術（比如光刻）并不適用于又細又長的曲面結(jié)構。于是，如何在細絲般的纖維里“裝下”成百上千個功能器件，成了全球科學家的難題。

在此，斯坦福大學鮑哲南院士聯(lián)合James C.Y. Dunn教授帶來了突破性答案。他們創(chuàng)造了一種新型“螺旋神經(jīng)絲”（Spiral-NeuroString，簡稱 S-NeuroString）：通過“二維薄膜到一維纖維”的螺旋轉(zhuǎn)化，把成片微納器件緊密卷入柔性纖維中，實現(xiàn)了極高的器件密度和多功能集成。憑借其卓越的柔軟性和生物相容性，這根纖維在小鼠大腦和豬腸道中均表現(xiàn)出優(yōu)異性能：能實現(xiàn)長達4個月的單神經(jīng)元記錄，也能在活體動物腸道中實現(xiàn)連續(xù)運動監(jiān)測和電刺激，甚至達到1280通道的超高集成水平。相關成果以“High-density soft bioelectronic fibres for multimodal sensing and stimulation”為題發(fā)表在《Nature》上，第一作者為Muhammad Khatib, Eric Tianjiao Zhao和 Shiyuan Wei為共同一作。

從二維到一維：螺旋神經(jīng)絲的設計和制造

研究團隊的靈感來自于“卷壽司”。他們先在二維彈性薄膜上完成常規(guī)的微加工，再把薄膜螺旋卷起，變成一根柔性電子纖維（圖1a）。這種“螺旋轉(zhuǎn)化”使得原本稀疏分布的器件被高效壓縮，密度提升可達百倍以上。比如，一張30毫米寬的薄膜，上面有150個傳感器；卷成直徑250微米的細絲后，同樣數(shù)量的器件被“塞進”0.25毫米的寬度里，密度提升了120倍（圖1c）。更令人驚喜的是，這根纖維柔軟到能和頭發(fā)媲美（圖1d），還可以輕松打結(jié)、縫進織物里（圖1e）。這意味著，它不僅適合植入體內(nèi)，還具備拓展到可穿戴織物的潛力。換句話說，科研人員第一次把“高密度、多功能、柔軟可彎”的電子元件真正做進了一根細絲里。

圖1：螺旋神經(jīng)絲的設計和制造

螺旋設計的奧秘

為什么螺旋轉(zhuǎn)化能帶來這么大提升？答案在于“卷”出來的三維結(jié)構（圖2a）。團隊通過調(diào)控薄膜寬度和厚度，精準控制纖維直徑，從180微米到360微米都能實現(xiàn)（圖2b）。不同材料的選擇還能調(diào)節(jié)纖維柔韌性：模量越低，纖維越柔軟（圖2c）。同時，研究人員還展示了“定制布局”的可能：有的傳感器布置在纖維表面，用于直接接觸組織；有的則藏在纖維內(nèi)部，用于壓力、溫度等信號的采集（圖2d）。更妙的是，纖維中還可以嵌入光纖導光或中空通道，實現(xiàn)給藥、流體傳輸（圖2e）。這使得螺旋神經(jīng)絲不僅是“傳感器集合體”，更是一個可擴展的多功能平臺。

圖2 ： 螺旋轉(zhuǎn)化與功能拓展

在腸道里“聽”運動

人體腸道結(jié)構彎曲復雜，還在不斷蠕動，這對任何植入設備都是極大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)“膠囊探針”雖能記錄信息，但笨重、剛硬，難以實現(xiàn)多點實時監(jiān)測。螺旋神經(jīng)絲的出現(xiàn)，徹底改變了這一局面。研究人員首先在小鼠結(jié)腸做了測試。直徑僅300微米的纖維被插入結(jié)腸后，不僅沒有干擾蠕動，還能精準感知運動信號。更重要的是，當研究者施加電脈沖時，纖維還能引導腸道產(chǎn)生規(guī)律收縮（圖3a–c）。隨后，他們把實驗搬到更接近臨床的豬體內(nèi)。在清醒狀態(tài)下，螺旋神經(jīng)絲連續(xù)幾天采集到腸道運動數(shù)據(jù)，甚至捕捉到明顯的晝夜節(jié)律：中午活動最強，午夜最弱（圖3d）。它還能分辨不同頻率的收縮波，從每分鐘2次到18次都有記錄（圖3e）。更令人振奮的是，研究者發(fā)現(xiàn)電刺激能雙向調(diào)節(jié)蠕動——有時能增強，有時能抑制（圖3h–j）。這意味著，未來醫(yī)生可以依賴這樣的纖維設備，實時監(jiān)控并精準干預術后腸功能異常。

圖3 ： 腸道中的連續(xù)監(jiān)測與刺激

在大腦中“聽”神經(jīng)元

除了腸道，螺旋神經(jīng)絲在大腦中的表現(xiàn)同樣亮眼。團隊制作了直徑150微米的神經(jīng)探針，把32個電極分布在1.6毫米的區(qū)域內(nèi)，形成類似“電極四胞體”的陣列（圖4a,b）。這種布局讓探針能夠長期穩(wěn)定記錄單個神經(jīng)元的放電信號。在活體小鼠實驗中，纖維植入海馬區(qū)后，神經(jīng)元信號持續(xù)穩(wěn)定超過16周（圖4d–h）。借助高密度電極，研究人員還能追蹤同一神經(jīng)元的活動，甚至觀察到與記憶鞏固相關的“銳波漣漪”（SWRs）事件（圖4n,o）。更進一步，螺旋神經(jīng)絲還能與光纖結(jié)合，實現(xiàn)光遺傳學調(diào)控：當光纖在大腦特定區(qū)域釋放激光時，探針能同步記錄到神經(jīng)元活動的變化（圖4p,q）。這為未來同時“讀寫”大腦電信號打開了新大門。

圖4 ：大腦中的單神經(jīng)元記錄

展望：柔性電子的未來

螺旋神經(jīng)絲的問世，不僅在工程上實現(xiàn)了“把二維變成一維”的奇思妙想，更展示了柔性電子在臨床和科研中的巨大潛力。它小巧、柔軟、功能豐富，既能深入腦區(qū)進行單神經(jīng)元長期監(jiān)測，又能在腸道中實現(xiàn)實時感知與精準干預，還能擴展到光學、化學等多模態(tài)功能。未來，這項技術或?qū)⑼苿右幌盗行聭茫簨胗變耗c功能監(jiān)護、神經(jīng)退行性疾病研究、甚至“腦-腸軸”長期追蹤。同時，憑借纖維形態(tài)，它也可能走向智能織物、可穿戴設備和軟體機器人領域?？梢灶A見，這根柔軟的“電子絲”，正在悄悄編織起醫(yī)療與智能科技的未來圖景

來源：高分子科學前沿

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