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賓漢姆頓大學(xué)饒思圓、汪前彬《自然·通訊》:控制聚合物無定形-結(jié)晶轉(zhuǎn)變技術(shù),實現(xiàn)水凝膠微觀集成!

發(fā)表時間 :2024-04-29 作者 :高分子科學(xué)前沿 來源 :高分子科學(xué)前沿

北京時間4月26日,美國紐約州立大學(xué)賓漢姆頓大學(xué)饒思圓實驗室和汪前彬實驗室在《自然通訊》(Nature Communications)發(fā)表了題為“Control of polymers’ amorphous-crystalline transition enables miniaturization and multifunctional integration for hydrogel bioelectronics”的研究論文。



由于其高彈性和低楊氏模量,柔性材料能夠適應(yīng)神經(jīng)組織的生理環(huán)境并減少對神經(jīng)組織的損傷,從而使外部設(shè)備能夠與神經(jīng)系統(tǒng)建立良好的連接。諸如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、環(huán)烯烴共聚物(COCE)和水凝膠等彈性聚合物已被廣泛應(yīng)用于神經(jīng)刺激、電生理記錄、藥物傳遞和神經(jīng)遞質(zhì)檢測。然而,這些設(shè)備中的微結(jié)構(gòu)通常只限于二維,且依賴于復(fù)雜的制造技術(shù),如光刻和微型打印。另一種制備方法——熱拉伸法,允許多功能聚合物纖維由大到小地集成,這需要匹配材料屬性,如玻璃轉(zhuǎn)變溫度、熔點以及熱膨脹系數(shù)。但高溫工藝限制了聚合物的選擇,尤其是那些用于生物電子設(shè)備的高含水量聚合物。
為了更好地適應(yīng)神經(jīng)系統(tǒng),研究團隊開發(fā)了一種多功能水凝膠生物電子設(shè)備。研究團隊提出了一個設(shè)計,即通過控制半結(jié)晶水凝膠的無定形-結(jié)晶轉(zhuǎn)變來限制聚合物鏈在其納米晶體結(jié)構(gòu)中的擴張,從而使水凝膠在水合狀態(tài)下保持其設(shè)計的體積。研究團隊開發(fā)了一套交聯(lián)化學(xué)反應(yīng)和微制造過程來控制聚乙烯醇(PVA)水凝膠中聚合物晶體領(lǐng)域的生長。在生理條件下(pH 6–8,37°C)的水合狀態(tài)中始終能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定且可調(diào)的體積減少。通過酸化處理以影響聚合物鏈的相互作用,并引入四乙基硅酸酯(TEOS)和戊二醛(GA)作為雙重交聯(lián)劑,有效地控制了聚合物的晶體(約3.5nm)并增加了水凝膠的折射率。通過拉伸變形進一步誘導(dǎo)了納米晶體的定向,從而促進了納米尺度的各向異性結(jié)構(gòu)的生成。這種控制變質(zhì)聚合物無定形-結(jié)晶轉(zhuǎn)變(COMPACT)策略使得水合狀態(tài)下水凝膠纖維的直徑減少了79.7%,同時保持了高延展性(139.3-169.2%)、相對較低的彈性模量(2.8–9.3 MPa)和低彎曲剛度(4.6±1.4 N/m)。利用此技術(shù),研究者能夠?qū)⑺z電極和光纖集成到微米級別,并且這些光纖可用于在小鼠的自由行為學(xué)活動中從深部腦區(qū)傳遞和收集光信號,集成的光纖和電極可用于光遺傳學(xué)刺激和電信號的采集。

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為了進一步探索PVA水凝膠的可控微型化特性,并保留其有益特性,研究者通過控制變質(zhì)聚合物的無定形-結(jié)晶轉(zhuǎn)變來設(shè)計制造方法,主要包括:(i) 使用多種交聯(lián)劑進行聚合物鏈的折疊和固定;(ii) 干預(yù)水凝膠基質(zhì)中分子間鏈的相互作用;(iii) 誘導(dǎo)納米晶體領(lǐng)域的有序生長。研究團隊采用COMPACT策略,遵循三個主要步驟來控制單個聚合物鏈的折疊、聚合物鏈網(wǎng)絡(luò)的相互作用以及納米晶體的生長。首先,通過均質(zhì)化過程在PVA溶液中引入TEOS的水解(見圖1a),然后加入了通用交聯(lián)劑GA。通過選擇兩種交聯(lián)劑的組合,既可以通過共價鍵控制聚合物鏈的移動性,也可以調(diào)節(jié)水凝膠的折射率。接著,研究者通過酸化處理促進了水凝膠中分子間鏈的相互作用。為了驗證COMPACT策略是否能在水合狀態(tài)下保持水凝膠的體積收縮,研究團隊接下來檢測了交聯(lián)水凝膠在原始、干燥和重新水合狀態(tài)下的尺寸和水分比例(見圖1b-e)。

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圖1 COMPACT水凝膠微觀集成的結(jié)構(gòu)設(shè)計
利用COMPACT技術(shù)實現(xiàn)的水合狀態(tài)下水凝膠的尺寸縮減,研究者開發(fā)了一系列具有可控直徑和可調(diào)光學(xué)及機械屬性的水凝膠纖維。通過改變無機交聯(lián)劑(TEOS)的含量、進行酸化處理和施加外部機械拉伸,研究者繪制了一個全面的收縮圖(見圖2a)。通常情況下,增加交聯(lián)劑的交聯(lián)密度會使得聚合物鏈更加不易拉伸,并在水合時減小尺寸。酸化處理顯著提高了不同交聯(lián)密度下的收縮百分比,而機械靜態(tài)拉伸則進一步縮小了水凝膠纖維的直徑(79.7 ± 2.3%)。為了將COMPACT技術(shù)融入實用的模具制造過程,研究者測試了使用不同尺寸硅模具制造的一系列水凝膠纖維(圖2b)。不受模具大小限制,所有COMPACT水凝膠纖維的直徑均縮小超過79%,與收縮圖(圖2a)保持一致。例如,使用內(nèi)徑為300μm的硅模具,制造了直徑為80 ± 4 微米的細水凝膠纖維。此外,通過COMPACT技術(shù),這些水凝膠還實現(xiàn)了高折射率(圖2c)、低楊氏模量、高拉伸性(圖2d)和低彎曲剛度(圖2e)。在模擬生理環(huán)境的體外測試中,COMPACT水凝膠展示了良好的微縮穩(wěn)定性(圖2f)和生物相容性(圖2g)。

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圖2 COMPACT水凝膠可調(diào)控的不同性質(zhì)
通過利用COMPACT技術(shù)精確控制水凝膠的折射率,研究者開發(fā)了具有顯著折射率對比的光纖-包層水凝膠纖維(ncore?= 1.40, ncladding?= 1.34)。為了驗證這些水凝膠纖維在生物體內(nèi)光學(xué)傳輸?shù)挠行?,研究者在小鼠深部腦區(qū)(VTA)注射含遺傳編碼的鈣指示劑(hSyn::GCaMP6s)的腺相關(guān)病毒(AAV),隨后植入了COMPACT光纖。他們使用fiber photometry系統(tǒng)收集鈣指示劑的熒光變化(見圖3e和g)。通過DeepLabCut無標記姿態(tài)估計和自定義的MATLAB算法,分析小鼠社交互動,發(fā)現(xiàn)鈣指示劑的熒光強度的增加與小鼠社交互動時期密切相關(guān)(圖3f和h)。這種光纖技術(shù)將細胞層面的神經(jīng)活動與系統(tǒng)神經(jīng)科學(xué)行為評估相結(jié)合,為探索神經(jīng)回路與行為之間的因果關(guān)系提供了重要工具,對神經(jīng)科學(xué)研究具有重要的價值。

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圖3 COMPACT水凝膠可光纖用于小鼠社交行為中的光傳導(dǎo)和記錄
水凝膠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以整合各種納米級材料,不僅擴展了其功能性,同時還保持了良好的可拉伸性。為了增強水凝膠神經(jīng)探針在電記錄方面的功能,研究者在水凝膠交聯(lián)過程中加入了導(dǎo)電的碳納米管(CNTs)。通過酸化處理促進聚合物鏈之間的相互作用,并通過機械拉伸幫助CNTs納入聚合物網(wǎng)絡(luò)中,確保其與PVA鏈的緊密纏繞,形成了一個具有良好電導(dǎo)性的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)。為了驗證CNTs-PVA水凝膠電極在體內(nèi)電生理記錄的有效性,研究者將這些電極植入小鼠的VTA區(qū),記錄了在持續(xù)麻醉下小鼠的神經(jīng)元自發(fā)活動(見圖4g-i),并在主成分分析(PCA)中發(fā)現(xiàn)了一個明顯的尖峰群。這些尖峰活動的信噪比(SNR)約為3.73,波形具有重復(fù)性。在水凝膠微型化的過程中,COMPACT策略為多組件集成提供了可能。由于具有不同折射率的核-包層結(jié)構(gòu)確保了光纖心中的光傳輸,研究者在包層中集成了兩個CNTs水凝膠電極,并以COMPACT水凝膠為核心(見圖4j)。一種名為光電極的水凝膠光電設(shè)備(圖4k),旨在實現(xiàn)光學(xué)調(diào)制與電生理記錄的同步進行。在轉(zhuǎn)基因Thy1::ChR2-EYFP小鼠中,通過水凝膠光纖傳遞的藍光脈沖(波長=473nm,0.5Hz,脈寬50ms,10mW/mm2)一致地激活了VTA中表達ChR2的神經(jīng)元,而神經(jīng)電信號則通過CNTs-PVA水凝膠電極收集(圖4l-m)。光學(xué)誘發(fā)的電位在植入后10周內(nèi)與光刺激的開始時間一致地被重復(fù)捕獲(圖4n, o)。這種同時進行雙向刺激和記錄的光學(xué)與電學(xué)模式為研究大腦功能提供了一種全面的方法。

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圖3 COMPACT水凝膠微觀集成生物電子器件
總而言之COMPACT策略是一種自下而上的方法,通過調(diào)整聚合物的無定形-結(jié)晶轉(zhuǎn)變來創(chuàng)建微結(jié)構(gòu)水凝膠生物電子器件。這種方法提供了一種可擴展、可控的制造工藝,用于生產(chǎn)微結(jié)構(gòu)水凝膠纖維,適用于與小鼠行為實驗同步的神經(jīng)調(diào)制和記錄。COMPACT水凝膠將高長寬比的納米材料整合到聚合物基質(zhì)中,提高了電導(dǎo)率,同時保持粘彈性屬性。這些水凝膠優(yōu)于傳統(tǒng)的軟生物電子器件制造方法,如光刻,提供了一種經(jīng)濟有效且高效的解決方案,而無需先進的設(shè)施。通過這種技術(shù)開發(fā)的多功能水凝膠神經(jīng)探針支持雙向光學(xué)記錄和與神經(jīng)活動相關(guān)的電記錄,這些活動由小鼠中的光觸發(fā)。通過整合微流控通道等功能,可以增加藥物傳遞等附加功能,擴展這些生物電子器件的能力。這種策略不僅簡化了軟材料的制造過程,還促進了多個功能組件在單個設(shè)備中的整合,提高了功能界面的密度,并能全面探索復(fù)雜的生物系統(tǒng)。

這項工作的第一作者為紐約州立大學(xué)賓漢頓分校黃思喆,紐約州立大學(xué)賓漢姆頓大學(xué)饒思圓汪前彬教授。


來源:高分子科學(xué)前沿


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