第一作者：Yuxin Liu、Jia Liu

通讯作者：鲍哲南

通讯单位：斯坦福大学

研究亮点：

1. 研发的水凝胶微电极阵列拥有和体内组织一样杨氏模量，极大减小体内植入医疗电子的机械失配。

2. 在小鼠内降低神经电刺激所需电压到0.05 V。

可植入生物电子器件亟待解决的问题

可植入的医疗电子设备，例如心脏起搏器和迷走神经刺激器，目前使用高达数百千兆帕的杨氏模量的硬质电子材料与只有数千帕斯卡的杨氏模量的软组织接合。当前可植入医疗电子设备中，组织-器件界面处的大的机械差异可导致电极错位，运动伪影，瘢痕组织形成和不良免疫反应。

本研究的构思与策略

为了解决可植入电子和人体组织的机械不兼容这一问题。作者首先想到从材料出发，寻找和生物体类似的材料。其次找到水凝胶作为电极和互联导体，然后是解决光刻工艺，最终应用到生物体上。

成果简介

有鉴于此，斯坦福大学鲍哲南教授课题组通过开发一种像果冻一样柔软的电子器件，即用于神经调节的基于水凝胶的可拉伸微电极阵列（20微米）来解决这一挑战。与传统的铂电极相比，该电极可以在较低电压下控制活鼠的腿和脚趾运动。植入的可拉伸薄膜微电子的柔软性质被证明可以提供稳定的神经界面和出色的长期生物相容性以及较小的免疫反应。

图1 导电水凝胶以及具有和体内组织一样杨氏模量的可拉伸封装材料

研究过程中遇到的困难和解决办法

问题a)： 设计低杨氏模量的电子材料

解决方法：设计调控高导电水凝胶材料和低模量含氟弹性体

问题b)： 研发可多层光刻的，且有微米级别的空间分辨率可拉伸工艺

解决方法：通过水凝胶的各异向性吸水

要点1：可光刻的高导电性水凝胶

Bao Lab在此之前开发了基于导电聚合物PEDOT：PSS的可拉伸导体。然而，该导体包含的离子液体大大降低了生物兼容性。为了除去离子液体，作者将其在水中去除。意外的事，去除离子液体的同时，PEDOT：PSS在垂直方向上各向异性地膨胀并形成高导电性水凝胶。这种导电水凝胶的杨氏模量和体内组织近似。利用各向异性溶胀特性，作者开发了一种微图案技术，能够将导电水凝胶图案化为特征尺寸为20 μm的微电极。

要点2：可光刻的超低模量的弹性体

与此同时，作者也开发了一种光刻工艺，用于图案化可拉伸的含氟聚合物PFPE-DMA。逐层光刻图案化工艺能够制造出柔软且可拉伸的微电极阵列，包括电极和互连（图2）。

图2 可光刻的水凝胶电极。a.具有软导体电极和绝缘材料的周围神经的生物电子界面的示意图b，水凝胶微电极阵列。比例尺：2 μm c，微电极（暗线）的放大图像，带有PFPE-DMA封装。比例尺：200 μm，逐层光刻微图案电极的示意图。

要点3：低阻抗电极让超低电压生理电刺激成为可能
除了减少机械不匹配之外，使用水凝胶既作为电极同时用作互连的另一个优点是它能降低界面阻抗。与传统电极材料（如铂）相比，低阻抗能够以更低的电压电刺激周围神经，如图3所示。这可以减少未来设计植入式电子设备的电压限制。

图3 低电压体内神经刺激。a，具有柔软和可拉伸微电极的体内神经刺激的示意图。b，相同面积的柔微电极和铂电极在不同刺激电压下引起的腿部运动。

小结

该工作研发了一种软生物微电子界面来解决可植入电子和人体组织的机械不兼容的问题。设计的电极微阵列既有低阻抗，又提供和生物组织相匹配的机械性能。

作者设想未来的生物电子学，特别是植入式电子学，应当以人体参数为设计根本。作者的未来计划包括进一步开发软微电子产品，并结合电子生理记录和生物分子传感等新功能。

参考文献：

Softand elastic hydrogel-based microelectronics for localized low-voltage neuromodulation[J]. Nature Biomedical Engineering, 2019.

DOI:10.1038/s41551-018-0335-6

https://www.nature.com/articles/s41551-018-0335-6