Nature Materials | 机器人神经“袖带”可以帮助治疗一系列神经系统疾病

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研究人员已经开发出微小而灵活的装置，可以包裹在单个神经纤维上而不会损坏它们。他们将柔性电子和软机器人技术相结合，开发了这些设备，可用于诊断和治疗一系列疾病，包括癫痫和慢性疼痛，或控制假肢。

a，电化学过程中PPy（DBS）的体积变化，由Na等小阳离子的传输引起。b，PPy（DBS）/Au双层致动器在PBS溶液中垂直于薄膜表面来回的可逆弯曲运动。c，采用恒电流法制备了不同厚度的PPy薄膜，厚度与沉积时间呈线性关系。数据显示为平均值±标准差（n = 3）。d， NaDBS电化学预处理后PPy的扫描电子显微镜图像。e，能量色散X射线光谱，比较预处理（PreC）前后的PPy（DBS）薄膜。f，预处理前后PPy（DBS）薄膜的奈奎斯特和波特幅度和相位角图。黑线表示使用传输线模型对数据的拟合。g， PBS中不同扫描速率下采集的6.7 μm厚PPy（DBS）的典型CV曲线。h，根据CV计算出的面积电容，单位为g。i，通过在 PBS 中施加 −0.7 和 0.6 V 之间的阶梯电压进行多步安培表征。j，显示双层条自由末端的大触发弯曲运动的合并照片序列。比例尺，500 nm （d）;2 mm （J）

与周围神经连接的电极阵列可以用于神经系统疾病的诊断与治疗；然而，它们需要复杂的放置手术，且这些手术具有很高的神经损伤风险。4月26日，《自然·材料》期刊发表了剑桥大学的研究文章，研究人员利用软机器人致动器和柔性电子设备的最新进展开发了高度顺应的神经袖带，将基于电化学驱动的导电聚合物软致动器与低阻抗微电极相结合。这些袖带被低至几百毫伏的电压驱动，可以主动抓握或缠绕脆弱的神经。研究人员同时使用体内大鼠模型验证了这项技术，表明袖带在不使用手术缝合线或胶水的情况下形成并保持与大鼠坐骨神经的自闭和可靠的生物电子界面。软电化学致动器与神经技术的无缝集成为神经活动的微创术中监测和高质量的生物电子接口提供了一条途径。

该技术未来可用于诊断和治疗一系列疾病，包括癫痫和慢性疼痛，或控制假肢。

a，通过规定的致动器元件布置实现的具有针对性形状转换路径和弯曲曲率的所提出的神经袖带示例，这些神经袖带具有适应神经尺寸和手术需要的针对性形状转换路径和弯曲曲率。b，可以弯曲成卷曲的扁平袖带装置的光学显微照片，弯曲半径为170μm。袖带在左右边缘集成了两个记录电极，中间有对齐的微条纹致动器。c，照片系列，显示了在2.1秒内沿着螺旋路径快速致动，通过设计不对称图案的致动元件来实现。黑色条带为PPy（DBS）/Au。施加的电压为 0.6 V。d，爆炸装置渲染显示机器人薄膜神经袖带的每一层。为简单起见，此处的描述排除了 Au 层内的导电 Au 轨道。e，连接到扁平软电缆（FFC）连接器的设备照片，显示整体结构。右边的光学显微照片显示了植入接口部分的详细设计。f，由1.95 μm PaC、10 nm Ti、100 nm Au和6.70 μm PPy（DBS）组成的薄膜器件的应力-应变曲线。测试了五个样品。插图中的照片显示了一个与手指相符的微加工神经袖带，展示了该装置的高贴合性。g，在PBS中显示1.4毫米神经模型上的神经袖带包裹的照片序列。本演示使用了带有三个微电极的简化袖带。h，不同电压下螺旋结构半径的比较。测量了具有不同厚度的 PaC 和 PPy 的设备。3 μm PaC 和 4 μm PPy（DBS）样品在 0 V 下测得的弯曲半径超过 5 mm，超出了我们的绘图范围，因此从该图中省略。数据显示为标准差±平均值（n = 3）。比例尺，1 mm （b）;5 mm （c）;5 mm， 1 mm， 50 μm （e（从左到右））;1 cm （f）;2 mm （g）

对大鼠神经袖带的测试表明，这些装置只需要微小的电压就可以以可控的方式改变形状，在神经周围形成一个自闭合环，而无需手术缝合或胶水。

研究人员表示，软电动致动器与神经技术的结合可能是一系列神经系统疾病的微创监测和治疗的答案。

电神经植入物可用于刺激或阻断靶神经中的信号。例如，它们可能通过阻断疼痛信号来帮助缓解疼痛，或者它们可以通过向神经发送电信号来恢复瘫痪肢体的运动。在含有高浓度神经纤维的身体部位（例如脊髓附近的任何地方）进行手术时，神经监测也是标准的外科手术需要的。

这些植入物允许直接接触神经纤维，但它们有一定的风险。“神经植入物具有很高的神经损伤风险，”领导这项研究的剑桥大学工程系的George Malliaras教授说。“神经很小而且非常脆弱，所以任何时候你把像电极这样大的东西与它们接触，它都会对神经构成危险。

“包裹神经的神经袖带是目前可用的侵入性最小的植入物，但尽管如此，它们仍然过于笨重，僵硬且难以植入，需要大量处理和潜在的神经创伤，”来自剑桥临床神经科学系的合著者Damiano Barone博士说。

研究人员设计了一种由导电聚合物制成的新型神经袖带，通常用于软体机器人。超薄袖口设计为两层。施加少量的电力 – 只有几百毫伏 – 会导致设备膨胀或收缩。袖带足够小，可以卷成针头并在目标神经附近注射。当被电激活时，袖带将改变其形状以缠绕神经，从而可以监测或改变神经活动。

“为了确保这些设备在体内的安全使用，我们设法将驱动所需的电压降低到非常低的值，”该论文的第一作者董超群博士说。“更重要的是，这些袖口可以在两个方向上改变形状并重新编程。这意味着外科医生可以调整设备在神经周围的紧密程度，直到他们获得记录和刺激神经的最佳结果。

在大鼠身上的测试表明，袖带无需手术即可成功放置，并且它们在目标神经周围形成了一个自闭合环。研究人员正计划在动物模型中进一步测试这些设备，并希望在未来几年内开始在人类身上进行测试。

a，灵活的神经袖带主动缠绕坐骨神经的概念示意图，用于无需缝合的亲密界面。b，载玻片PPy（DBS）和对照组的细胞活力分析。ES– 和 ES+ 分别表示不应用电压刺激和应用电压刺激。数据显示为平均值±标准差（n = 6）。c，神经记录微电极在1000个驱动周期之前和之后的电化学阻抗幅度（底部）和相位（顶部）。实线表示平均值，阴影区域表示标准差。d，在电压从 −0.5 切换到 0 V 时，坐骨神经周围的神经袖带自缠绕。e，记录植入麻醉大鼠坐骨神经的软致动器辅助袖带电极的基线噪声，显示为迹线（顶部）和频谱图（底部）。f，在按压后爪形式的感觉刺激期间坐骨神经的代表性记录的迹线和频谱图。爪子按压的大致时间用红线表示。绿色圆圈表示记录的尖峰（振幅比背景噪声高 4.5 倍）。平均尖峰波形如右图所示。g，对五只大鼠的五个植入致动器辅助袖带的响应爪子按压的噪声（绿线）和记录的尖峰（箱形图）振幅的量化：n = 924（大鼠 1）、34（大鼠 2）、63（大鼠 3）、109（大鼠 4）、411（大鼠 5）尖峰。箱形图显示数据中位数（中心线）、上四分位数和下四分位数（箱形边界）、四分位距的 1.5 倍（晶须）以及超出此范围的异常值（圆圈）。比例尺，1 mm （d）;5 秒，20 μV （e）;5 s、20 μV、1 ms、5 μV（f（从左到右））

“使用这种方法，我们可以到达通过开放手术难以到达的神经，例如控制疼痛，视觉或听力的神经，但不需要在大脑内植入任何东西，”Barone说。“放置这些袖带以使其缠绕在神经上的能力使外科医生的手术变得更加容易，并且对患者的风险较小。

Malliaras说：“制造可以通过电激活改变形状的植入物的能力为高度靶向治疗开辟了一系列未来的可能性。“在未来，我们也许能够拥有可以穿过身体甚至进入大脑的植入物 – 这让我们梦想着将来如何利用技术造福患者。

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Dong, C., Carnicer-Lombarte, A., Bonafè, F. et al. Electrochemically actuated microelectrodes for minimally invasive peripheral nerve interfaces. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01886-0

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编辑 | 罗虎

审核 | 医工学人

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