平面电子加工方法使神经接口变得更加精确，并能传递更多信息。然而，这种加工范式本质上是二维且刚性的，由此产生的生物-非生物界面的机械和几何失配可能引发免疫反应，从而阻碍有效刺激。
本研究采用硫烯/丙烯酸酯形状记忆聚合物，为刺激电极创建三维柔性基底。实验表明，该基底系统在体内可从超过600 MPa软化至6 MPa。研究人员展示了一种包裹大鼠迷走神经的袖套电极，该电极能够驱动神经活动。
一、介绍
与周围及中枢『神经系统』的交互有望改善多种『神经系统』疾病和功能障碍的治疗效果。这种交互通过神经接口实现，其设计既能刺激也能记录神经活动。这些设备形态多样，可与各类生物结构对接。目前主要聚焦于使用刚性平面基底（如硅）开发高密度电极，但这导致神经接口与高度柔软的神经组织间存在显著的机械和几何失配。这种失配不仅限制了可对接的生物结构类型，还会加剧异物反应并影响长期稳定性。
以神经袖套电极为例（环绕神经的电极），这类设备尤其不适合平面制造技术。袖套电极在神经科学中已用于刺激迷走神经，通过诱导神经可塑性来治疗耳鸣、中风等疾病，并减少癫痫发作。
为减少神经接口的几何与机械失配，柔性电子领域主要采用弹性体或工程热塑性材料制造更适配的接口。例如聚酰亚胺和聚对二甲苯-C虽兼容光刻技术且具有足够刚性便于手术植入，但其模量仍比神经组织（10 kPa至0.5 MPa）高出近四个数量级。硅胶等弹性体虽具高顺应性，却增加了平面加工和植入的复杂性。近期还出现了结合弹性体与铰链、形状记忆合金骨架的袖套设计，其目标与本研究一致——实现神经与柔性基底的紧密贴合。
形状记忆聚合物（SMPs）作为智能材料，能在热或光等刺激下从亚稳态恢复至稳定态，同时伴随模量的显著变化。但热固性SMPs的加工性较差，需通过后聚合交联等技术克服高温、氧敏感等问题。硫烯/丙烯酸酯共聚反应因其高效交联特性，可提升材料玻璃化转变温度（Tg），成为制备高复杂度形状SMPs的有效方法。
本研究设计了一种非晶态硫烯/丙烯酸酯热固性SMP基底，用于制造能随生理条件软化和变形的神经袖套电极。如图1所示，该柔性（非柔软）袖套可在平面状态下植入神经下方，接触生理环境后自动卷曲软化，使电极与神经贴合。通过调控硫烯/丙烯酸酯反应的时序性，实现了电极图案化、转移至部分反应基底、绝缘处理及最终神经适配形状的定制。最终，研究人员在体外和体内实验中验证了功能性袖套电极的可行性。
图1. 三维形状记忆聚合物神经袖套的制备流程示意图。通过掩模版在牺牲玻璃基底上沉积金属电极，随后将电极转移至部分聚合的聚合物基底并包覆绝缘层。通过变形获得目标三维构型后完成最终聚合，从而固定器件形状。该器件可在植入时暂时变形脱离预设形状，并在体内环境恢复原状。
二、实验部分
01.材料
三环癸烷二甲醇二丙烯酸酯（TCMDA）、1,3,5-三烯丙基-1,3,5-三嗪-2,4,6(1H,3H,5H)-三酮（TATATO）和2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮（DMPA）购自相关供应商。三[2-(3-巯基丙酰氧基)乙基]异氰脲酸酯（TMICN）购自和光纯药工业株式会社。所有化学品均直接使用未经进一步纯化。除聚合物合成外，所有加工步骤均在Class 10000洁净室中进行。
东莞市富临塑胶原料有限公司是AM Systems中国代理商，为中国客户提供电生理产品：记录系统、刺激器、膜片钳、电极、电极丝。
02.动态机械分析
采用梅特勒-托利多DMA 861e/SDTA分析仪进行测试。样品被切割成直径约3mm、厚度约1.2mm的圆柱体。采用剪切变形模式，应变限制在最大0.3%。测试以2°C/min的升温速率在氮气氛围下进行，变形频率为1Hz。
离体样本测试时，样品从麻醉动物体内取出后立即采用平行板剪切模式测试。该配置下约70%样品表面积与夹具接触，减缓水分蒸发。需说明所有测试样品的尺寸（约1.2mm厚）不代表实际神经袖套厚度（约125μm）。玻璃化转变温度（Tg）以tanδ峰值确定，每种成分至少测试两次。
03.差示扫描量热法
使用配备制冷模块的梅特勒-托利多DSC 1进行分析。样品先冷却至-50°C，再加热至100°C以测定反应各阶段的玻璃化转变。数据显示仅为加热循环过程，升降温速率恒定为10°C/min，测试在氮气氛围下完成。Tg以转变中点为准，每种成分至少测试四次。
04.牺牲基底制备
将75×50mm²玻璃载玻片依次采用：Alconox溶液刷洗、丙酮超声清洗、异丙醇超声清洗，循环操作直至无可见污染物。
05.金属沉积
采用电子束蒸发法以0.2 nm/s速率沉积300 nm金层。使用掩模版定义金属导线尺寸（宽125μm×长6 cm），不符合尺寸要求的导线予以废弃。
06.聚合物合成与电极转移聚合
测试的两种组分均含化学计量比的TATAO和TMICN。硫烯/丙烯酸酯组分另含31 mol% TCMDA。配制单体溶液时，先将TCMDA与TATATO混合，再加入总单体浓度0.1 wt.%的DMPA。溶液避光保存后加入TMICN，经涡旋混合和超声脱气处理。将单体溶液注入1.2 mm或125μm厚度的玻片模具中，采用365 nm紫外光源（5盏顶置式）进行聚合：部分聚合（6 s-15 min）或完全聚合（15 min紫外+120℃后固化12 h）。
电极转移采用金层朝下的牺牲基底作为模具底层。通过控制聚合过程使金导线从玻璃基底转移至SMP基底，并保留底部玻片。使用35μm厚硫烯/丙烯酸酯层绝缘处理导线，仅保留5 mm×0.1 mm的接触点与活性电极区域（用聚酰亚胺胶带保护）。采用银填充环氧树脂将器件与连接器在65℃固化15分钟。
07.器件电学表征
使用三电极体系在磷酸盐缓冲液中测试阻抗（100-10,000 Hz，5 mV正弦电位）。所有测试均在器件最终3D形态下进行（n=6），37℃ PBS溶液中持续监测35天。
08.形状记忆特性表征
在TA仪器Q800 DMA拉伸模式下测试完全固化样品：
- 样品尺寸：4.0×30×0.75 mm³（激光切割+600目砂纸打磨）
- 测试条件：预加载力0.01 N，初始应变0.1%，升温至Tg+10℃平衡30分钟
- 变形程序：以10%/min速率拉伸至15%应变，冷却至20℃保持30分钟
约束恢复实验：以2℃/min升温至80℃记录恢复应力。
自由应变恢复：卸除载荷后以相同条件升温，测量应变恢复率（进行三次循环测试）。
部分聚合形状存储能力测试：
制备125μm厚、5 mm宽、50 mm长样品，在不同部分聚合时间下：
1. 初始聚合后样品绕1.05 mm曲率半径玻璃板弯曲180°（最大应变~6%）
2. 固定变形状态下完成聚合及125℃真空后固化
3. 80℃无约束加热10分钟后测量两侧夹角
形状恢复率=实测夹角/180°（1代表完全恢复）
每组聚合时间制备三个独立样品测试。
09.袖套电极植入手术
选用成年雌性Sprague Dawley白化大鼠，植入定制硫烯/丙烯酸酯平面电极。动物麻醉采用盐酸氯胺酮（80 mg/kg，腹腔注射）和赛拉嗪（10 mg/kg，腹腔注射），必要时追加剂量。确认无足趾夹捏反应后，剃除颈部左侧手术区域毛发，依次使用碘伏和70%异丙醇消毒。术中涂抹眼膏防止角膜干燥，并用电热毯维持大鼠体温37℃。颈部皮下注射布比卡因（2×0.5 mL）确保手术无痛操作。
切开皮肤并钝性分离颈部肌肉，暴露左侧迷走神经颈段。钝性分离颈动脉鞘后，将平面电极置于神经背侧。注入37℃温生理盐水（0.2 mL）促进电极热响应，使其自动卷曲包裹神经。电极引线经切口引出，连接双通道接口器与刺激器电缆。
10.迷走神经刺激
采用AM Systems 2100隔离脉冲刺激器，参数设置为：
- 刺激序列：15个脉冲/串，频率30Hz（脉冲间隔33.3ms）
- 脉冲波形：0.4mA双相方波（阴极/阳极脉冲各100μs）
- 单串持续时间：500ms
- 电荷密度：6.4mC/cm²
通过脉搏血氧仪持续监测心率和血氧饱和度。每次给予10串刺激（串间隔1秒）诱发心肺反应，重复10次循环，间隔期待生理指标恢复正常。每次刺激后供氧，下次刺激前撤氧，确保血氧与心率稳定后再启动新刺激序列。
11.离体测试样本植入实验
实验选用成年雌性Sprague Dawley白化大鼠作为模型动物，在其体内植入8个目标材料圆盘样本（规格：直径3mm×厚度1mm）。实验动物通过腹腔注射盐酸氯胺酮（80mg/kg）和赛拉嗪（10mg/kg）进行麻醉，并根据麻醉深度适时追加给药剂量。手术过程中采取以下措施：使用眼科软膏保护动物角膜防止干燥；采用恒温电热毯维持实验动物体温在37℃。通过足趾夹捏反射实验确认麻醉深度达标后，在动物颅顶部位作中线切口，采用钝性分离法在皮肤与颌部肌肉层之间制备植入腔隙。将聚合物材料圆盘植入制备好的腔隙后，逐层缝合手术切口。术后1周，再次对实验动物实施麻醉，取出植入样本并立即进行动态机械分析（DMA）测试。
12.实验伦理声明
本研究所涉及的动物实验方案均严格遵循德克萨斯大学达拉斯分校机构动物护理和使用委员会（IACUC）制定的伦理规范和操作规程。
三、研究结果与讨论
神经接口技术作为重要的生物医学工程手段，在『神经系统』疾病的基础研究与临床治疗领域展现出广阔的应用前景，同时为智能假肢的控制信号生成提供了新的技术途径。然而，当前基于微电子工业标准工艺制造的神经接口器件面临关键技术挑战：为实现微米级特征尺寸的加工，必须采用平面刚性的基底材料，这与生物神经组织固有的三维结构和柔软力学特性存在本质矛盾。针对这一关键科学问题，本研究创新性地开发了四步制备工艺：
1）在平面基底上进行电极图案化加工；
2）将电极结构转移至部分聚合的柔性基底；
3）通过力学加载使器件变形至目标三维构型；
4）通过完全交联反应固定三维形状。
该工艺的核心创新在于利用凝胶后交联反应精确调控器件最终的三维形貌。
本研究的主要科学目标是建立具有双重功能特性的新型神经接口技术：
（1）生理环境响应性软化功能：器件能够根据体内生理环境发生可控的力学性能转变；
（2）三维形状自适应功能：器件可精确恢复预设的三维构型，实现与神经组织的完美贴合。
01.聚合物合成与表征研究
本研究选取两种硫烯/丙烯酸酯复合材料作为潜在的形状记忆聚合物（SMP）神经袖套基底进行系统表征。第一种材料由三烯丙基单体TATATO与三硫醇单体TMICN按化学计量比反应制得；第二种材料在此基础上添加31 mol%的二丙烯酸酯单体TCMDA以提高玻璃化转变温度（Tg）。单体选择基于关键标准：所得热固性聚合物的Tg需略高于37℃且转变区间窄。
动态机械分析（DMA）数据显示（图2a），干燥状态下硫烯样品的Tg起始点略低于生理温度，而硫烯/丙烯酸酯样品则略高于生理温度。皮下植入一周后的测试表明：两种材料均发生显著软化，硫烯样品模量降至6 MPa，硫烯/丙烯酸酯样品降至38 MPa。虽然仍高于周围神经组织模量一个数量级，但该软化效应可显著降低组织应变。软化机制归因于材料吸水塑化（约3%），此吸水率与现有神经接口材料相当。值得注意的是，硫烯基底已通过成骨细胞培养实验证实其基本生物相容性。本实验中植入一周的聚合物周围组织未见明显炎症反应。
图2. 硫烯及硫烯/丙烯酸酯复合材料在皮下植入前后的动态力学分析(a)；通过循环自由应变恢复(b)和约束恢复(c)实验展示的硫烯/丙烯酸酯复合材料的形状记忆行为。
形状记忆性能测试显示（图2b），材料在68℃（Tg+10℃）拉伸15%后冷却至20℃时形状固定率>99%，首次加热循环的形状恢复率达89%。后续循环中，材料表现出近乎100%的恢复率，表明该交联网络聚合物在测试条件下未发生永久损伤。约束恢复实验（图2c）显示应力在37℃以上开始快速释放，这对设计既贴合神经又避免压迫损伤的器件至关重要。
电极首先在平面牺牲基底上进行图案化加工，随后可转移至部分聚合的形状记忆聚合物基底。这一过程通过将牺牲基底作为模具底部来实现。这种部分聚合的薄膜可从平面模具中取出，经过变形后通过进一步交联反应永久固定新的形状。完成最终器件制备步骤后，可利用形状记忆效应使器件暂时脱离永久形状，随后在生理条件下恢复其复杂三维构型。该工艺通过精确控制聚合反应进程，使基底仅发生足以转移金电极的部分聚合。
采用差示扫描量热法（DSC）和动态机械分析（DMA）研究了反应过程中薄膜性质的演变规律。图3a展示了硫烯/丙烯酸酯材料在不同曝光时间（6秒至完全聚合状态）下的DSC热分析曲线。所有样品均显示出明显的玻璃化转变台阶，部分聚合样品在加热至玻璃化转变温度以上时还表现出反应重启的放热峰。图3b统计了四个样品的玻璃化转变中点随曝光剂量的变化关系。值得注意的是，即使仅曝光6秒也能形成弹性薄膜。图3c展示了选定组分的DMA测试结果，不仅验证了曝光剂量与Tg的关系，更重要的是可量化反应全程的交联密度变化。橡胶态模量（Gr）与交联密度直接相关：6秒曝光样品的Gr为0.35MPa，而完全聚合样品增至3.6MPa。正是这种交联密度差异使得样品能够永久固定不同于初始凝胶状态的平面构型。
图3. 硫烯/丙烯酸酯复合物在不同反应阶段的差示扫描量热分析。(a)显示反应过程中不同终止时间点的DSC曲线；(b)呈现反应各阶段玻璃化转变中点的变化(n=4，误差棒表示标准差)；(c)展示选定部分聚合薄膜的动态力学分析结果。
图4a定量研究了凝胶后交联固定新形状的能力。通过将聚合物薄膜绕1mm曲率半径（模拟大鼠迷走神经尺寸）弯曲变形，并在变形状态下完成聚合和后固化处理。随后在75℃烘箱中加热10分钟，通过光学显微镜🔬测量薄膜两侧夹角来量化形状恢复率。虽然聚合物在37℃以下就开始恢复，但选择75℃可确保器件在数分钟内完全恢复。形状恢复率表现为实测夹角与变形状态（180°）的比值。结合图3c的Gr数据，发现对新稳定形状的恢复能力与变形前后交联密度比呈反比关系。完全聚合后的样品则失去重构新稳定形状的能力。
图4b-c直观演示了通过部分聚合工艺存储和恢复任意形状的能力。将部分聚合的平面薄膜（初始聚合时间6秒）缠绕在5mm直径玻璃棒上形成螺旋结构并完成聚合。脱模后将薄膜加热展平，通过聚合物玻璃化在室温下固定该亚稳态形状（图4b）。再次加热至玻璃化转变温度以上时，薄膜可恢复螺旋构型（图4c）。这一模型系统展示了在转移平面电子器件后，于宏观和微观尺度同步模拟体内复杂三维结构的潜力。
图4. 基于不同初始反应时间的形状恢复性能表征。(a)展示最终固化后及后续变形后的形状恢复率(n=3，误差棒表示标准差)；(b)演示聚合物条带经部分聚合形成平面结构后，变形为螺旋构型并完成最终聚合，加热后展平的过程；(c)显示该条带再次加热后恢复至螺旋构型。
02.器件制备、表征与植入实验
图5展示了所述部分聚合工艺制备功能性神经袖套的能力。图5a比较了代表性袖套在"制备完成"弯曲状态（器件活性端1mm弯曲半径）与经历一次形状记忆循环后的阻抗谱特性，结果显示两种状态下各通道的阻抗-频率关系无显著差异。不过两个通道间存在微小差异，这很可能源于掩模法制备的精度限制，但该差异不影响原型器件的功能性。未来采用完整光刻工艺有望大幅减少或完全消除此类问题。
图5. 通过部分聚合工艺制备的神经袖套电极阻抗特性分析。(a)展示代表性神经袖套在经历形状记忆循环前后的阻抗谱对比；(b)呈现六组电极(n=6)在模拟生理环境中长达一个月的阻抗变化，误差条表示标准差；(c)记录1kHz生理相关频率下六组电极(n=6)的阻抗时程变化，误差条表示标准差。
图5b显示了袖套电极在35天模拟植入环境中的响应特性。生理相关频率1kHz下的交流阻抗在测试期间从1.2kΩ增至125kΩ（图5c）。虽然常规刺激用袖套电极阻抗通常在1-10kΩ范围，但数周后观察到的阻抗升高可能与电极表面污染有关。尽管通过目视检查未能发现器件变化，但金电极在硫烯/丙烯酸酯基底上表现出优异的附着性——在35天模拟生理条件下，所有导线均保持连续完整且无需粘附层。这种强附着性可归因于游离硫醇和硫醚键与金之间的特殊相互作用。
图6a展示了制备的神经袖套缠绕于大鼠迷走神经的实物图，图6b为连接刺激电缆的完整器件。虽然迷走神经刺激在多种『神经系统』疾病治疗中应用广泛，但已知会产生某些副作用。为验证袖套的刺激功能，实验监测了刺激过程中的心率和血氧饱和度变化。图6c显示刺激后这两个参数均出现统计学显著下降。十组0.4mA双相脉冲序列（每组重复十次）的连续刺激未导致器件失效，且持续引发预期生理响应。
图6. 神经袖套电极在麻醉大鼠体内的植入效果。(a,b)显示袖套电极环绕迷走神经的实物照片；(c)展示迷走神经刺激对心率和血氧饱和度的影响。误差条表示95%置信区间，心率和血氧饱和度变化的p值均<0.0001（双尾t检验）。
03.电极材料优化与未来展望
尽管金并非理想的刺激电极材料（其电荷注入能力低于铂等常用材料），但本研究采用的大尺寸电极使电荷密度维持在6.4 mC/cm²，远低于金的安全阈值。对于未来需要微缩化电极的器件，可采用铂或铱等更高电荷注入能力的材料以确保数千次刺激循环的稳定性。通过纳米结构表面修饰（如图案化加工或碳纳米管复合）可在不增加器件尺寸的前提下扩大电极有效表面积，进一步提升电荷注入性能——这为开发兼具记录与刺激功能的纳米电极器件寿命研究指明了新方向。值得注意的是，即使采用新型电极材料，金仍可作为优质导体保留在器件中，利用其优异的延展性和与硫烯基底的强粘附特性。
本研究开发的硫烯/丙烯酸酯神经袖套代表了能主动软化并贴合组织的神经接口技术范例。通过精确调控聚合反应时序，实现了从平面基底到定制三维构型的可控转变。虽然目前125μm的特征尺寸远大于光刻器件水平，但基于所述聚合转移技术有望实现进一步微型化。这种掩模法制备的袖套电极首次验证了"可植入-可软化"神经接口的可行性，其创新性在于将形状记忆效应与平面电子加工工艺相融合。
四、结论
神经接口技术的突破将深刻变革脑科学研究与『神经系统』疾病诊疗方式。生物-非生物界面的机械/几何失配会加剧异物反应并导致器件失效。本研究展示的神经袖套具有双重响应特性：模量降低两个数量级的软化效应，以及包裹大鼠迷走神经的形状自适应能力。通过诱发心率与血氧饱和度的显著下降，验证了其对迷走神经的有效刺激功能。随着微米级光刻技术推动电子器件特征尺寸持续缩小，这种能在精确三维构型间智能转换的高分子系统将为电子器件、传感系统和新型生物医学装置带来持续创新。
东莞市富临塑胶原料有限公司是AM Systems中国代理商，采购AM Systems电生理产品（记录系统、刺激器、膜片钳、电极、电极丝）请立即联系我们。
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