多功能柔性导电聚合物微电极阵列的制备及其体内神经接口应用

Stretchable conducting polymer microelectrode arrays (CP-MEAs) have excellent neural recording capability, biomechanical properties and biocompatibility, which are ideal for constructing next-generation high-performance neural interfacing electronics. To realize the practical application of CP-MEAs in neural interfacing, three major challenges including microstructural optimization, simplification of fabrication process and improved multi-functionality, are still to be overcome. Herein we propose to use the fast nano-synthesis techniques to fabricate conducting polymer hollow nanospheres, nanofibers and nanotubes to endow the CP-MEAs with engineered microstructures. By processing the conducting polymer nanomaterials into nanoinks, the CP-MEAs can be formed facilely by printing of the nanoinks onto the surface of polydimethylsiloxane (PDMS) via ink-jet printing. To realize the simple, high-speed production of the CP-MEAs, the wetting, spreading and adhesion of nanoinks on PDMS will be comprehensively studied. To evaluate the neural interfacing capability, the mechanical, electrical, electrochemical and biocompatibility of CP-MEAs will be tested and analyzed in detail. Eventually neurotrophic factors will be incorporated into the CP-MEA, and make it become a multifunctional system for neural recording, stimulating and curing.

导电聚合物柔性微电极阵列具有优秀的神经信号传导能力、生理力学性能以及生物相容性，是构建新型高性能神经接口的理想部件。但要真正实现导电聚合物柔性微电极阵列的神经接口应用，还需要克服其微细结构简单、制备流程繁琐、功能单一等问题。本项目拟通过纳米材料的快速合成法，高效制备导电聚合物纳米空心球、纳米线、纳米管等微细结构。通过将导电聚合物纳米材料制备成纳米墨水，使用喷墨印刷的方式将其以微电极阵列的形式印制于聚二甲基硅氧烷（PDMS）表面，从而实现柔性微电极阵列的简单、快速制备。深入研究导电聚合物纳米墨水在PDMS表面的润湿性、扩散性、附着力等因素，系统地开发柔性微电极阵列的高效印刷工艺。通过测试柔性微电极阵列的力学、电学、电化学性能以及生物相容性，结合动物体内实验，综合分析其作为神经接口的应用性能。最后通过将神经营养因子负载于微电极阵列中，使其成为集神经监测、刺激及治疗为一体的多功能接口系统。

通过对“种子法”进行改进，本项目成功制备了具有规整微纳层级结构、长径比可达1500的超长聚吡咯纳米纤维。相较于拥有其他形貌的聚吡咯材料，超长聚吡咯纳米纤维具有更长的一维结构以及共轭链段长度，使其具有更高的电子离域程度，从而获得更高的导电性能。通过在五氧化二钒纳米溶胶中加入聚乙二醇，可以显著提升聚吡咯纳米纤维的水相分散性能。X射线光电子能谱表明，聚乙二醇可通过氢键与聚吡咯纳米纤维表面进行有效结合，从而促进纳米纤维的一维定向聚合。这种超长聚吡咯纳米纤维首次实现了纳米尺度形貌的宏观一维转变，为今后制备更大尺度的、具有宏观一维结构的导电聚合物纳米纤维提供了理论与实验基础。通过结合超声、搅拌、离心等工艺，成功制备了具有稳定分散性能的导电聚合物纳米墨水。通过激光喷墨打印技术，在柔性聚合物基底上印制微电极阵列的负像图案，再将导电聚合物纳米墨水棒涂于柔性基底表面，通过焙烘、有机溶剂超声等方法，将导电聚合物纳米墨水附着于柔性基底表面，并同时去除激光打印墨水，便可在柔性基底表面得到导电聚合物微电极阵列。为提升神经信号采集能力、减少植入创面、以及实现深脑区监测，设计并制备了一种新型的导电聚合物涂层铝基微丝电极。这种电极在模拟体液环境下具有优良的电化学与机械性能，上佳的生物相容性，在动物体内脑部神经信号收集的植入实验中展现了较高的信噪比以及清晰度。通过在导电聚合物涂层铝基微丝电极表面施加海藻酸钠水凝胶涂层，可有效拓展其营养因子、抗炎药物以及神经肽的负载和控释能力。通过将五氧化二钒纳米纤维溶胶与海藻酸钠水凝胶进行复合，从而在聚吡咯涂层铝微丝电极表面形成聚吡咯纳米纤维网络/海藻酸钠复合水凝胶，可在不降低电极生物相容性的前提下，显著提升其电导率、机械强度与组织相容性，从而得到具有实际应用潜力的多模态、多功能、植入式神经电极。