纽约州立大学饶思圆、汪前彬 Nat. Commun.： 通过调整聚合物的无定形-结晶转变开发了微结构水凝胶生物电子器件
北京时间4月26日，美国纽约州立大学宾汉姆顿分校饶思圆实验室和汪前彬实验室在《Nature Communications》发表了题为“Control of polymers’ amorphous-crystalline transition enables miniaturization and multifunctional integration for hydrogel bioelectronics”的研究论文。
由于其高弹性和低杨氏模量，柔性材料能够适应神经组织的生理环境并减少对神经组织的损伤，从而使外部设备能够与神经系统建立良好的连接。诸如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、环烯烃共聚物（COCE）和水凝胶等弹性聚合物已被广泛应用于神经刺激、电生理记录、药物传递和神经递质检测。然而，这些设备中的微结构通常只限于二维，且依赖于复杂的制造技术，如光刻和微型打印。另一种制备方法——热拉伸法，允许多功能聚合物纤维由大到小地集成，这需要匹配材料属性，如玻璃转变温度、熔点以及热膨胀系数。但高温工艺限制了聚合物的选择，尤其是那些用于生物电子设备的高含水量聚合物。
为了更好地适应神经系统，研究团队开发了一种多功能水凝胶生物电子设备。研究团队提出了一个设计，即通过控制半结晶水凝胶的无定形-结晶转变来限制聚合物链在其纳米晶体结构中的扩张，从而使水凝胶在水合状态下保持其设计的体积。研究团队开发了一套交联化学反应和微制造过程来控制聚乙烯醇（PVA）水凝胶中聚合物晶体领域的生长。在生理条件下（pH 6–8，37°C）的水合状态中始终能够实现稳定且可调的体积减少。通过酸化处理以影响聚合物链的相互作用，并引入四乙基硅酸酯（TEOS）和戊二醛（GA）作为双重交联剂，有效地控制了聚合物的晶体（约3.5nm）并增加了水凝胶的折射率。通过拉伸变形进一步诱导了纳米晶体的定向，从而促进了纳米尺度的各向异性结构的生成。这种控制变质聚合物无定形-结晶转变（COMPACT）策略使得水合状态下水凝胶纤维的直径减少了79.7%，同时保持了高延展性（139.3-169.2%）、相对较低的弹性模量（2.8–9.3 MPa）和低弯曲刚度（4.6±1.4 N/m）。利用此技术，研究者能够将水凝胶电极和光纤集成到微米级别，并且这些光纤可用于在小鼠的自由行为学活动中从深部脑区传递和收集光信号，集成的光纤和电极可用于光遗传学刺激和电信号的采集。 为了进一步探索PVA水凝胶的可控微型化特性，并保留其有益特性，研究者通过控制变质聚合物的无定形-结晶转变来设计制造方法，主要包括：(i) 使用多种交联剂进行聚合物链的折叠和固定；(ii) 干预水凝胶基质中分子间链的相互作用；(iii) 诱导纳米晶体领域的有序生长。研究团队采用COMPACT策略，遵循三个主要步骤来控制单个聚合物链的折叠、聚合物链网络的相互作用以及纳米晶体的生长。首先，通过均质化过程在PVA溶液中引入TEOS的水解（见图1a），然后加入了通用交联剂GA。通过选择两种交联剂的组合，既可以通过共价键控制聚合物链的移动性，也可以调节水凝胶的折射率。接着，研究者通过酸化处理促进了水凝胶中分子间链的相互作用。为了验证COMPACT策略是否能在水合状态下保持水凝胶的体积收缩，研究团队接下来检测了交联水凝胶在原始、干燥和重新水合状态下的尺寸和水分比例（见图1b-e）。
图1 COMPACT水凝胶微观集成的结构设计
利用COMPACT技术实现的水合状态下水凝胶的尺寸缩减，研究者开发了一系列具有可控直径和可调光学及机械属性的水凝胶纤维。通过改变无机交联剂（TEOS）的含量、进行酸化处理和施加外部机械拉伸，研究者绘制了一个全面的收缩图（见图2a）。通常情况下，增加交联剂的交联密度会使得聚合物链更加不易拉伸，并在水合时减小尺寸。酸化处理显著提高了不同交联密度下的收缩百分比，而机械静态拉伸则进一步缩小了水凝胶纤维的直径（79.7 ± 2.3%）。为了将COMPACT技术融入实用的模具制造过程，研究者测试了使用不同尺寸硅模具制造的一系列水凝胶纤维（图2b）。不受模具大小限制，所有COMPACT水凝胶纤维的直径均缩小超过79%，与收缩图（图2a）保持一致。例如，使用内径为300μm的硅模具，制造了直径为80 ± 4 微米的细水凝胶纤维。此外，通过COMPACT技术，这些水凝胶还实现了高折射率（图2c）、低杨氏模量、高拉伸性（图2d）和低弯曲刚度（图2e）。在模拟生理环境的体外测试中，COMPACT水凝胶展示了良好的微缩稳定性（图2f）和生物相容性（图2g）。
图2 COMPACT水凝胶可调控的不同性质
通过利用COMPACT技术精确控制水凝胶的折射率，研究者开发了具有显著折射率对比的光纤-包层水凝胶纤维（ncore = 1.40, ncladding = 1.34）。为了验证这些水凝胶纤维在生物体内光学传输的有效性，研究者在小鼠深部脑区（VTA）注射含遗传编码的钙指示剂（hSyn::GCaMP6s）的腺相关病毒（AAV），随后植入了COMPACT光纤。他们使用fiber photometry系统收集钙指示剂的荧光变化（见图3e和g）。通过DeepLabCut无标记姿态估计和自定义的MATLAB算法，分析小鼠社交互动，发现钙指示剂的荧光强度的增加与小鼠社交互动时期密切相关（图3f和h）。这种光纤技术将细胞层面的神经活动与系统神经科学行为评估相结合，为探索神经回路与行为之间的因果关系提供了重要工具，对神经科学研究具有重要的价值。
图3 COMPACT水凝胶可光纤用于小鼠社交行为中的光传导和记录
水凝胶的网络结构可以整合各种纳米级材料，不仅扩展了其功能性，同时还保持了良好的可拉伸性。为了增强水凝胶神经探针在电记录方面的功能，研究者在水凝胶交联过程中加入了导电的碳纳米管（CNTs）。通过酸化处理促进聚合物链之间的相互作用，并通过机械拉伸帮助CNTs纳入聚合物网络中，确保其与PVA链的紧密缠绕，形成了一个具有良好电导性的连续网络。为了验证CNTs-PVA水凝胶电极在体内电生理记录的有效性，研究者将这些电极植入小鼠的VTA区，记录了在持续麻醉下小鼠的神经元自发活动（见图4g-i），并在主成分分析（PCA）中发现了一个明显的尖峰群。这些尖峰活动的信噪比（SNR）约为3.73，波形具有重复性。在水凝胶微型化的过程中，COMPACT策略为多组件集成提供了可能。由于具有不同折射率的核-包层结构确保了光纤心中的光传输，研究者在包层中集成了两个CNTs水凝胶电极，并以COMPACT水凝胶为核心（见图4j）。一种名为光电极的水凝胶光电设备（图4k），旨在实现光学调制与电生理记录的同步进行。在转基因Thy1::ChR2-EYFP小鼠中，通过水凝胶光纤传递的蓝光脉冲（波长=473nm，0.5Hz，脉宽50ms，10mW/mm2）一致地激活了VTA中表达ChR2的神经元，而神经电信号则通过CNTs-PVA水凝胶电极收集（图4l-m）。光学诱发的电位在植入后10周内与光刺激的开始时间一致地被重复捕获（图4n, o）。这种同时进行双向刺激和记录的光学与电学模式为研究大脑功能提供了一种全面的方法。
图3 COMPACT水凝胶微观集成生物电子器件
总而言之COMPACT策略是一种自下而上的方法，通过调整聚合物的无定形-结晶转变来创建微结构水凝胶生物电子器件。这种方法提供了一种可扩展、可控的制造工艺，用于生产微结构水凝胶纤维，适用于与小鼠行为实验同步的神经调制和记录。COMPACT水凝胶将高长宽比的纳米材料整合到聚合物基质中，提高了电导率，同时保持粘弹性属性。这些水凝胶优于传统的软生物电子器件制造方法，如光刻，提供了一种经济有效且高效的解决方案，而无需先进的设施。通过这种技术开发的多功能水凝胶神经探针支持双向光学记录和与神经活动相关的电记录，这些活动由小鼠中的光触发。通过整合微流控通道等功能，可以增加药物传递等附加功能，扩展这些生物电子器件的能力。这种策略不仅简化了软材料的制造过程，还促进了多个功能组件在单个设备中的整合，提高了功能界面的密度，并能全面探索复杂的生物系统。
这项工作的第一作者为纽约州立大学宾汉顿分校黄思喆，纽约州立大学宾汉顿分校饶思圆和汪前彬教授。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47988-w
