张莹莹课题组发文揭示3D打印制备超可拉伸离子神经电极

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清华大学化学系张莹莹课题组基于直写式3D打印过程中二维纳米材料的非对称自组装现象，实现了超可拉伸弹簧状离子神经电极的构建。该研究成果以“基于含有定向自组装纳米片微带的高可拉伸离子神经电极”（Microribbons composed of directionally self-assemblednanoflakes as highly stretchable ionicneural electrodes）为题发表在《美国科学院院刊》（PNAS）上。
       外周神经信号收集及电刺激在治疗神经相关的疾病（如神经麻痹、癫痫、帕金森氏综合征及脊髓损伤）方面具有重要的临床应用价值。传统的神经电极通常由硬质的金属或金属氧化物（弹性模量约100GPa）制成，它们与柔软、动态的生物组织（弹性模量约100KPa）之间存在着极大的机械特征和几何结构上的不匹配性。这些差异不仅会降低信号的质量，而且可能造成神经束的不可逆损伤。另外，神经组织主要通过离子传导信号，而传统电极通过电子传导信号，这将导致在电极与神经组织的界面发生电化学反应，由此而导致的有害物质的产生、环境pH值的变化或局部热量将破坏神经界面的微环境平衡，从而危害组织的健康。
       该研究所用的打印墨水是分散有氧化石墨烯片的具有黏性的海藻酸钠水溶液。研究者观察到，墨水中的二维材料在打印成型的过程会经历一个非对称自组装过程，从而使打印所得的条带呈现梯度微观结构变化。该结构与某些天然生物组织（如松果、豆荚、麦芒）中的微观结构具有相似性。然后，通过交联防止该材料遇水再次溶解。由于材料中独特的梯度结构变化，其在放入水中可自发变形成弹簧状结构。所得结构具有优异的弹性和优良的离子传导性，与柔软、动态和呈现离子传导特征的生物组织具有良好的匹配性，从而可用作高效的超可拉伸离子传导神经电极。

直写式3D打印过程中氧化石墨烯片的非对称自组装

由于氧化石墨烯取向结构的梯度变化，所打印条带中放入水中时会产生弯曲力矩并自发形成超可拉伸弹簧状结构。

弹簧状离子传导神经电极用于神经信号收集和神经电刺激，并将其性能与传统金属铂电极进行对比。

       将该弹簧状离子电极与牛蛙的坐骨神经相连，进行了神经信号记录和神经电刺激。从图中可以看到，与传统的硬质Pt电极相比，该离子神经电极所采集的神经电信号具有更高的高信噪比，同时也避免了传统金属电极可能导致的有害电化学反应和不可逆机械损伤。这些结果展示了用3D打印的方法所得到的高可拉伸离子传导结构在神经电极方面的应用价值。
       文章的通讯作者是清华大学化学系副教授张莹莹，第一作者是化学系博士生张明超。参与该工作的合作者有清华大学医学院教授刘静和博士生国瑞、北京航空航天大学化学院陈科博士、北京大学牛佳莉博士以及德国马普所智能系统研究所教授梅廷·斯蒂（Metin Sitti）等。
        原文链接：https://www.pnas.org/content/early/2020/06/11/2003079117

供稿：化学系

编辑：李华山 李晨晖

审核：程曦

        文章来源：清华大学

        张莹莹,清华大学副教授。2007年7月在取得博士学位，后在美国Los Alamos 国家实验室从事博士后研究，自2011年7月起任职于清华大学。曾获得国家自然科学基金“优秀青年基金”，入选“万人计划”青年拔尖人才和教育部“长江学者奖励计划”青年学者等。课题组主要围绕纳米碳材料和丝蛋白材料的制备科学、物理与化学性能、及其柔性可穿戴器件开展研究，重点关注控制合成方法和结构-性能关联，在此基础上，研究其在柔性电子器件领域的应用。近五年来，围绕纳米碳材料和丝蛋白材料的控制制备、表征技术、新奇物性及其柔性可穿戴器件开展研究，取得了一系列原创性成果。