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  4月19日，清華大學航天航空學院、柔性電子技術(shù)研究中心馮雪教授課題組在《科學進展》（Science Advances）在線發(fā)表了題為“用于外周神經(jīng)電刺激與信號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力學理論并與信息、材料、化學等學科深度交叉，發(fā)展了一種能夠在體溫驅(qū)動下自動攀爬至外周神經(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)束軟組織力學性質(zhì)、幾何結(jié)構(gòu)極度不匹配，無法適應外周神經(jīng)動態(tài)變形的特點，且電極的手術(shù)植入與固定過程復雜。由此會造成神經(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極大的痛苦，如惡心，嘔吐，呼吸障礙等，嚴重時還會帶來生命危險。

  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)束界面失配問題。該神經(jīng)電極能夠在二維平面完成復雜結(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，該電極將自動恢復至設(shè)計好的三維螺旋形，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，以及合理的力學設(shè)計（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)束的動態(tài)變形而變形，不對神經(jīng)束造成過大的壓力。

仿攀爬纏繞電極自攀爬至外周神經(jīng)束上（在體動物實驗）

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

迷走神經(jīng)電刺激調(diào)控心率

坐骨神經(jīng)電信號采集

  為指導仿攀爬纏繞電極的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與設(shè)計，馮雪教授課題組還對自然界中的纏繞植的攀爬行為與粘附進行了系統(tǒng)的研究，用固體力學中有限變形理論揭示了植物攀爬的內(nèi)在機理，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)表在固體力學頂級期刊《固體力學與物理學報》（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、制備等相關(guān)實驗的研究成果，曾在微電子領(lǐng)域的頂級會議《國際電子器件大會》（“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日在美國舊金山作邀請報告。

  清華大學航院、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、侯國輝、付際，以及浙江大學謝濤教授團隊。該研究工作得到了科技部973計劃項目、國家自然科學基金項目的資助。

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