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  4月19日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院、柔性電子技術(shù)研究中心馮雪教授課題組在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）在線發(fā)表了題為“用于外周神經(jīng)電刺激與信號(hào)采集的形狀記憶基仿攀爬纏繞電極”（Climbing-inspired twining electrodes using shape memory for peripheral nerve stimulation and recording）的研究成果。馮雪教授課題組通過(guò)力學(xué)理論并與信息、材料、化學(xué)等學(xué)科深度交叉，發(fā)展了一種能夠在體溫驅(qū)動(dòng)下自動(dòng)攀爬至外周神經(jīng)束上的三維螺旋形纏繞電極，依靠自然粘附形成穩(wěn)定且柔性的電極-神經(jīng)束界面，為外周神經(jīng)調(diào)控技術(shù)在臨床上的應(yīng)用提供了嶄新的思路。

仿攀爬纏繞電極用于外周神經(jīng)調(diào)控示意圖

  外周神經(jīng)電刺激與信號(hào)采集在治療一些藥物難治性疾病如癲癇，抑郁，心衰，假肢等方面具有十分重要的臨床意義。而現(xiàn)有的外周神經(jīng)電極與外周神經(jīng)束軟組織力學(xué)性質(zhì)、幾何結(jié)構(gòu)極度不匹配，無(wú)法適應(yīng)外周神經(jīng)動(dòng)態(tài)變形的特點(diǎn)，且電極的手術(shù)植入與固定過(guò)程復(fù)雜。由此會(huì)造成神經(jīng)束不可逆的損傷，如組織發(fā)炎，神經(jīng)束退化，伴隨的副作用給病人帶來(lái)極大的痛苦，如惡心，嘔吐，呼吸障礙等，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)帶來(lái)生命危險(xiǎn)。

  受纏繞植物攀爬行為啟發(fā)，馮雪教授課題組提出了一種三維仿攀爬纏繞電極，以解決上述的電極-神經(jīng)束界面失配問(wèn)題。該神經(jīng)電極能夠在二維平面完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制備；利用形狀記憶聚合物的可重構(gòu)功能，并根據(jù)外周神經(jīng)束的幾何尺寸設(shè)計(jì)神經(jīng)電極的永久形狀，完成三維纏繞電極的制備。在手術(shù)植入前，將三維螺旋狀纏繞電極展平至平面狀態(tài)以方便手術(shù)操作；在手術(shù)植入中，利用37 ℃ 生理鹽水的驅(qū)動(dòng)，該電極將自動(dòng)恢復(fù)至設(shè)計(jì)好的三維螺旋形，利用電極與神經(jīng)束間的自然粘附而形成良好的電極-神經(jīng)束界面，無(wú)需額外的手術(shù)固定。智能材料形狀記憶聚合物所具有的低彈性模量，以及合理的力學(xué)設(shè)計(jì)（網(wǎng)絡(luò)狀蛇形結(jié)構(gòu)）降低了神經(jīng)電極的拉伸和彎曲剛度，保證了神經(jīng)電極能夠隨著神經(jīng)束的動(dòng)態(tài)變形而變形，不對(duì)神經(jīng)束造成過(guò)大的壓力。

仿攀爬纏繞電極自攀爬至外周神經(jīng)束上（在體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)）

  馮雪教授課題組還開(kāi)展了兩組在體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，即迷走神經(jīng)電刺激調(diào)控心率、坐骨神經(jīng)電刺激與信號(hào)采集，分別驗(yàn)證了所發(fā)展的纏繞電極在外周神經(jīng)電刺激與信號(hào)采集方面的應(yīng)用潛力。

迷走神經(jīng)電刺激調(diào)控心率

坐骨神經(jīng)電信號(hào)采集

  為指導(dǎo)仿攀爬纏繞電極的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與設(shè)計(jì)，馮雪教授課題組還對(duì)自然界中的纏繞植的攀爬行為與粘附進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，用固體力學(xué)中有限變形理論揭示了植物攀爬的內(nèi)在機(jī)理，給出了植物纏繞角的變化規(guī)律以及纏繞物與支撐物間的作用力。相關(guān)成果于2018年4月28日發(fā)表在固體力學(xué)頂級(jí)期刊《固體力學(xué)與物理學(xué)報(bào)》（Journal of the Mechanics and Physics of Solids），題為 “A finite deformation theory for the climbing habits and attachment of twining plants”（纏繞植物攀爬行為與粘附的有限變形理論）。

自然界中的纏繞植物及力學(xué)模型

  另外，馮雪教授課題組關(guān)于形狀記憶聚合物基三維神經(jīng)電極的設(shè)計(jì)、制備等相關(guān)實(shí)驗(yàn)的研究成果，曾在微電子領(lǐng)域的頂級(jí)會(huì)議《國(guó)際電子器件大會(huì)》（“IEEE the 64th International Electron Devices Meeting”）上發(fā)表，題為 “Bio-inspired 3D neural electrodes for the peripheral nerves stimulation using shape memory polymers” (應(yīng)用于外周神經(jīng)電刺激的形狀記憶聚合物基三維神經(jīng)電極)，并于2018年12月4日在美國(guó)舊金山作邀請(qǐng)報(bào)告。

  清華大學(xué)航院、柔性電子技術(shù)研究中心博士生張迎超為文章第一作者，馮雪教授是論文通訊作者，參與該工作的還有浙江清華柔性電子技術(shù)研究院的陳穎、侯國(guó)輝、付際，以及浙江大學(xué)謝濤教授團(tuán)隊(duì)。該研究工作得到了科技部973計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。

  論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/5/4/eaaw1066