AFM：用于柔性多模態(tài)生理-電生理監(jiān)測的激光誘導(dǎo)石墨烯生物電子器件

第一作者：Xin Liao，Dengyu Lu，Yiyong Wu，Yaxin Chen

通訊作者：Yi Lu

通訊單位：中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院

DOI: 10.1002/adfm.202531604

背景介紹

神經(jīng)精神障礙影響著全球超過10%的人口，不僅對患者的生活質(zhì)量構(gòu)成嚴(yán)重威脅，在重癥病例中，甚至危及其生存。這些疾病給全球范圍內(nèi)的個體、家庭及醫(yī)療保健系統(tǒng)帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。此類疾病的發(fā)生與演進(jìn)涉及復(fù)雜的病理過程，其典型特征往往是神經(jīng)回路的功能障礙。這種功能紊亂不僅損害特定的腦功能，還會引發(fā)與其相互關(guān)聯(lián)的外周器官出現(xiàn)生理異常。因此，對神經(jīng)回路進(jìn)行精準(zhǔn)的功能繪圖，并準(zhǔn)確監(jiān)測生理狀態(tài)的變化，對于深化我們對大腦機(jī)制的理解至關(guān)重要。

神經(jīng)系統(tǒng)疾病往往通過行為異常和全身性生理改變這兩種形式表現(xiàn)出來。例如，癲癇發(fā)作通常伴隨著肢體突然、非自主的抽搐以及心律失常，這充分體現(xiàn)了異常神經(jīng)活動與外周生理狀態(tài)之間錯綜復(fù)雜的相互作用。在此背景下，生物傳感器已成為定量監(jiān)測行為動態(tài)與生理動態(tài)不可或缺的工具。若要有效地應(yīng)用于神經(jīng)生理學(xué)研究，理想的生物傳感器必須滿足一系列嚴(yán)格的要求：(1) 具備極高的靈敏度，能夠捕捉生理或行為參數(shù)中細(xì)微的波動；(2) 擁有優(yōu)異的生物相容性和力學(xué)柔順性，以確保能與生物組織實(shí)現(xiàn)無縫集成；以及 (3) 具備高信噪比（SNR）和長期運(yùn)行穩(wěn)定性，從而確保信號的保真度。近年來，可穿戴電子技術(shù)與材料工程領(lǐng)域的突破性進(jìn)展，推動了高性能柔性應(yīng)變傳感器的研發(fā)，使其具備了高靈敏度、寬工作范圍及快速響應(yīng)等卓越特性。例如，基于MXene/AgNW材料的可拉伸傳感器已被成功設(shè)計(jì)用于精準(zhǔn)監(jiān)測脈搏和血壓；嵌入聚二甲基硅氧烷（PDMS）基質(zhì)中的棘狀碳納米球，被用于制備在寬應(yīng)變范圍內(nèi)均保持高靈敏度的應(yīng)變傳感器；此外，利用裂紋偏轉(zhuǎn)機(jī)制構(gòu)建的水凝膠-激光誘導(dǎo)石墨烯復(fù)合傳感器，展現(xiàn)出極佳的可拉伸性，非常適用于心臟活動及皮膚界面的生理監(jiān)測。盡管取得了上述進(jìn)展，但在跨物種（尤其是嚙齒類動物疾病模型）中驗(yàn)證生物傳感器的性能方面，仍面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)；在這些模型中，由于解剖結(jié)構(gòu)微小、生理變異性高以及行為動態(tài)變化迅速，對傳感器的分辨率和靈敏度提出了極高的要求。此外，作為神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的“金標(biāo)準(zhǔn)”技術(shù)，電生理記錄能夠直接、高分辨率地獲取特定腦區(qū)內(nèi)的神經(jīng)元活動信息，并有助于分析不同神經(jīng)回路之間的功能連接。若將其與行為學(xué)及生理學(xué)監(jiān)測相結(jié)合，電生理技術(shù)便能提供一種強(qiáng)有力的手段，用于解析健康及病理狀態(tài)下的神經(jīng)動力學(xué)機(jī)制。近年來，材料科學(xué)與微尺度制造技術(shù)的長足進(jìn)步，推動了柔性及可拉伸神經(jīng)電極陣列的研發(fā)；這類陣列顯著緩解了剛性植入物與柔性神經(jīng)組織之間存在的機(jī)械失配問題。這些柔性生物電子系統(tǒng)展現(xiàn)出更優(yōu)異的機(jī)械貼合性、極低的免疫排斥與炎癥反應(yīng)、增強(qiáng)的長期穩(wěn)定性，以及高質(zhì)量的神經(jīng)信號采集能力。然而，目前仍存在一個亟待解決的關(guān)鍵需求：即將生理學(xué)與電生理學(xué)傳感功能整合至單一的多模態(tài)系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)對同一受試對象進(jìn)行同步監(jiān)測。若能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，便可繪制出神經(jīng)回路活動與動態(tài)生理及行為狀態(tài)之間的系統(tǒng)級關(guān)聯(lián)圖譜；這不僅能為深入理解神經(jīng)系統(tǒng)疾病的病理生理機(jī)制提供更為全面的視角，還能為精準(zhǔn)治療策略的制定提供重要的理論依據(jù)。激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）憑借其“直寫式”制造工藝、高度靈活的圖案化能力以及固有的柔韌特性，在應(yīng)對上述挑戰(zhàn)方面展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢，使其在生物傳感器及神經(jīng)電極應(yīng)用領(lǐng)域均極具吸引力。盡管如此，如何合理優(yōu)化LIG的微觀結(jié)構(gòu)并對其界面進(jìn)行精巧設(shè)計(jì)，從而在同步提升其電化學(xué)性能與機(jī)械魯棒性的同時滿足各類特定的應(yīng)用需求，依然是當(dāng)前亟待突破的一個關(guān)鍵瓶頸。

本文亮點(diǎn)

1. 本工作報(bào)道了一種柔性激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）生物電子器件，該器件不僅實(shí)現(xiàn)了與軟組織的機(jī)械兼容性，還具備跨物種的多模態(tài)記錄能力。

2. 通過優(yōu)化制備工藝和多步表面修飾，成功開發(fā)了雙層LIG（BiL-LIG）生物傳感器；該傳感器工作范圍寬廣（相比單層LIG提升高達(dá)40%），且在高應(yīng)變狀態(tài)下仍保持極高的靈敏度（應(yīng)變系數(shù)達(dá)3.77）。

3. 與此同時還研制了界面工程化LIG（IntE-LIG）神經(jīng)電極陣列；該陣列展現(xiàn)出卓越的信號保真度、顯著降低的阻抗（降幅高達(dá)98.5%），以及優(yōu)異的體內(nèi)長期穩(wěn)定性（信號質(zhì)量可維持長達(dá)4周）。

4. BiL-LIG生物傳感器成功捕捉了人類志愿者、非人靈長類動物及嚙齒類動物體內(nèi)的微細(xì)體動及心率、呼吸等關(guān)鍵生理信號；而IntE-LIG電極則實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定且長期的體內(nèi)神經(jīng)信號記錄。

5. 通過整合上述器件，構(gòu)建了一套柔性生理-電生理監(jiān)測系統(tǒng)（PEMS）；該系統(tǒng)在小鼠癲癇模型中得到了有效驗(yàn)證，能夠同步追蹤癲癇發(fā)作及藥物干預(yù)過程中的心率變化與神經(jīng)活動。

圖文解析

圖1. 生理-電生理監(jiān)測系統(tǒng)（PEMS）制備過程的示意圖。激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）平臺具有多項(xiàng)優(yōu)勢，包括制備簡便、圖案化可定制、器件小型化以及可規(guī)模化量產(chǎn)。通過低溫轉(zhuǎn)移技術(shù)結(jié)合雙激光加工工藝，成功制備出具有優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)和電化學(xué)特性的圖案化雙面激光誘導(dǎo)石墨烯（BiL-LIG）。這種雙面工程策略顯著提升了LIG的延展性和機(jī)電靈敏度，而這兩項(xiàng)特性對于實(shí)現(xiàn)高保真生理傳感至關(guān)重要。為了在保留LIG基材料固有機(jī)械優(yōu)勢的同時，進(jìn)一步提升其電化學(xué)穩(wěn)定性并降低界面阻抗，隨后通過界面涂覆導(dǎo)電聚合物-金復(fù)合材料（CPAC）對BiL-LIG進(jìn)行了改性。所得的界面工程化LIG（IntE-LIG）在機(jī)械魯棒性、電化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性方面均表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)，使其非常適用于長期神經(jīng)接口應(yīng)用。通過充分利用BiL-LIG與IntE-LIG之間特性互補(bǔ)的優(yōu)勢，成功制備了柔性生物傳感器和神經(jīng)電極陣列，并將其集成至PEMS中，從而在癲癇小鼠模型上實(shí)現(xiàn)了實(shí)時多模態(tài)體內(nèi)監(jiān)測及閉環(huán)反饋調(diào)控。

圖2. 激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）樣品的化學(xué)成分與形貌表征。(A–C) 掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，展示了轉(zhuǎn)移態(tài)LIG（t-LIG）、雙面激光誘導(dǎo)LIG（BiL-LIG）以及界面工程化LIG（IntE-LIG）的表面形貌。(D, E) t-LIG、BiL-LIG和IntE-LIG的拉曼光譜及X射線光電子能譜（XPS）全譜圖。(F–H) t-LIG、BiL-LIG和IntE-LIG的高分辨率C 1s譜圖及峰擬合分峰結(jié)果。(I–K) t-LIG、BiL-LIG和IntE-LIG的能量色散X射線光譜（EDS）圖譜及相應(yīng)的元素分布圖。

圖3. 激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG）的機(jī)電性能表征。(A) 采用四探針法測量電導(dǎo)率的示意圖。 (B) 轉(zhuǎn)移型LIG (t-LIG)、雙面激光誘導(dǎo)LIG (BiL-LIG) 和界面工程化LIG (IntE-LIG) 的電導(dǎo)率。數(shù)據(jù)以平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差 (S.D.) 形式呈現(xiàn) (n = 5 個樣本)。(C) 圖案化LIG薄膜電導(dǎo)率的演示。(D, E) LIG樣本的電阻-應(yīng)變特性：電阻-應(yīng)變曲線，以及電阻-應(yīng)變關(guān)系的線性擬合。(F–H) t-LIG、BiL-LIG和IntE-LIG樣本在25%應(yīng)變下的相應(yīng)掃描電子顯微鏡 (SEM) 圖像。(I–K) t-LIG、BiL-LIG和IntE-LIG樣本的代表性電阻響應(yīng)曲線，展示了其隨應(yīng)變變化的電學(xué)行為。

圖4. 基于雙面激光誘導(dǎo)石墨烯 (BiL-LIG) 生物傳感器的跨物種生理信號監(jiān)測。(A) 制備完成的BiL-LIG生物傳感器實(shí)物照片。(B) 脈搏感知系統(tǒng)的示意圖。(C) 靜息狀態(tài)下記錄到的代表性人體脈搏信號。(D) 人體生理監(jiān)測實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。(E) 人體志愿者在步行和跑步過程中的心率變化。(F) 人體志愿者在步行和跑步過程中的呼吸節(jié)律變化。(G) 非人靈長類動物 (NHP) 監(jiān)測感知裝置的示意圖。(H, I) 獼猴的心率和呼吸節(jié)律記錄。(J) 嚙齒類動物監(jiān)測感知裝置的示意圖。(K, L) 小鼠的心率和呼吸節(jié)律記錄。

圖5. 基于激光誘導(dǎo)石墨烯 (LIG) 電極陣列的電學(xué)與電化學(xué)表征。(A) 柔性LIG基電極結(jié)構(gòu)的示意圖。(B) 電極陣列處于彎曲狀態(tài)和松弛狀態(tài)時的實(shí)物照片。(C) 在磷酸鹽緩沖鹽溶液 (PBS) 中，以50 mV/s的掃描速率記錄的雙面激光處理LIG (BiL-LIG) 和界面工程化LIG (IntE-LIG) 電極的循環(huán)伏安 (CV) 曲線。(D) BiL-LIG和IntE-LIG電極在PBS溶液中的電化學(xué)阻抗譜 (EIS)。 (E) EIS數(shù)據(jù)的等效電路擬合。(F) IntE-LIG電極在超聲刺激下的穩(wěn)定性測試示意圖。(G, H) IntE-LIG電極在超聲處理前后的CV和EIS曲線。(I) 1000次CV循環(huán)穩(wěn)定性測試示意圖。(J, K) IntE-LIG電極在CV處理前后的CV和EIS曲線（n = 3個樣本；數(shù)據(jù)以平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤表示）。

圖6. 利用界面工程化LIG（IntE-LIG）電極陣列進(jìn)行跨物種長期電生理記錄。(A, E) IntE-LIG電極陣列的示意圖，以及用于記錄小鼠（A）和獼猴（E）皮層電生理信號的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。(B, F) 小鼠（B）和獼猴（F）在第1周和第4周時，從皮層記錄到的局部場電位（LFP）的功率譜密度（PSD）分析結(jié)果。(C, G) 小鼠（C）和獼猴（G）在第1周和第4周時獲得的LFP活動時頻圖。(D, H) 小鼠（D；n = 4個通道）和獼猴（H；n = 4個通道）的綜合PSD功率定量比較。數(shù)據(jù)以平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤（S.E.M.）的形式呈現(xiàn)。

圖7. 多模態(tài)生理-電生理監(jiān)測系統(tǒng)（PEMS）的建立及其在癲癇檢測與治療中的應(yīng)用。(A) PEMS各組成部分及實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。(B, D, F) 具有代表性的局部場電位（LFP）信號及其對應(yīng)的功率譜密度（PSD）。這些信號分別是在正常狀態(tài)、癲癇發(fā)作狀態(tài)以及藥物治療后狀態(tài)下獲取的。(C, E, G) 小鼠在正常狀態(tài)、癲癇發(fā)作狀態(tài)以及藥物治療后狀態(tài)下，具有代表性的心跳信號及計(jì)算所得的心率。

來源：柔性傳感及器件