清华大学张莹莹PNAS：3D打印离子神经电极

来源：纳米人

研究背景

自组装作为构建纳米材料的少数几种实用组装方法之一，是一种在没有人为干预的情况下，自发地将单元模块组织成有序结构的过程。通过内部相互作用力（如共价和非共价相互作用）或外部刺激（如电场、磁场和光）自动构建单元模块的研究有助于理解复杂的生物行为，并有助于纳米制造技术的发展。然而，在自组装材料中，实现可定制的结构变化是一个挑战，因为高度对称和均匀的结构通常主导这一组装过程。 

成果简介

近日，清华大学张莹莹副教授团队以“Microribbons composed of directionally self-assembled nanoflakes as highly stretchable ionic neural electrodes”为题，在Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.,发表最新研究成果，报告了3D直接油墨打印过程中，在聚合物基质中可由定向自组装的二维纳米片组成的不对称微带。这些带状物在受到刺激时，可以自发地转变为具有可控螺旋结构的超应力弹簧，并可用作与软组织和动态生物组织相容的神经电极。

要点1：定向自组装微带的形成

采用二维氧化石墨烯（GO）分散在海藻酸钠（SA）粘性溶液中，作为3D打印油墨。氧化石墨烯纳米片的高宽比赋予其显著的各向异性，这为在GO/SA带中构造结构变化提供了基础。实验观察到，黏性聚合物中的二维纳米填料倾向于在基底上定向自组装，并形成特定位置的结构变化。

图1A示出具有梯度结构的定向自组装带的形成。图1A-i显示油墨由随机分布在海藻酸钠聚合物基质中的GO薄片组成，这由SEM图说明（图1B-i）。GO/SA油墨2D广角X射线衍射（WAXD）图中的（002）面衍射环在所有方位角上都显示出几乎均匀的强度和较低的Herman取向因子（1C-i），表示油墨的各向同性性质。在印刷过程中，当从喷嘴（图1A-ii和B-ii）挤压时，这些GO薄片与平行于流动方向的平面对齐。值得注意的是，挤出长丝的圆形截面表明，平行排列的GO薄片呈径向分布（图1 A-ii和B-ii）。

当挤出长丝沉积在基底上时，径向分布的GO薄片继续重新定向，直到水分完全蒸发（图1A-ii~v）。由于基体的限制，底部的GO片与基体接触时倾向于平躺，形成平面排列。相反，当顶部暴露在周围环境中时，水蒸发，因此左侧墨水的粘度增加，这导致顶部GO片运动的能量壁垒增加，并且极大地限制了它们的运动，从原来的位置仅导致一个小的偏差，形成垂直排列（图1B-iii~v）。

图1. 具有梯度结构的定向自组装微带的形成。

要点2：分级结构的特定位置力学性能

GO薄片的定向自组装导致打印微带结构的显著变化，从而导致沿厚度方向的力学性能不同。图2A示出微带的顶部和底部之间明显不同的形貌。如图2A-C所示，在顶部（图2B）可以看到松散且垂直分布的GO薄片，而在底部（图2C）则观察到有序且平坦的堆积微结构。如图2D所示，上表面粗糙度均方根值为470.5 nm，而底部粗糙度均方根值为39.0 nm，摩擦系数较小。

如图2E中部分加载-卸载纳米压痕曲线所示，在3 mN的法向力作用下，底部的力响应更为剧烈，最大接触深度小于顶部，表明底部的杨氏模量（Ey）和硬度（H）高于顶部。如图2F所示，随着压痕深度的增加，底部的Ey和H保持恒定，而顶部的值显示出增加的趋势，直到达到与底部相似的值为止。此外，划痕试验如图2G所示，进一步指示其结构变化。底部表面的划痕深度大于顶部，而两个表面的阻力相似，这可以归因于顶部区域GO薄片的松散堆积。

要点3：可控结构变化

喷嘴的尺寸在很大程度上影响了GO片的排列和由此产生的结构变化。计算流体动力学模拟（图3A）所示，喷嘴出口的小直径对流动油墨产生较大的剪切应力，导致GO薄片与平行于流动方向的平面更高的对齐度。从图3B所示的2D-WAXD结果来看，使用喷嘴出口较窄的打印喷嘴可以获得较高的打印微带取向度。

油墨的流变特性在干燥过程中显著地影响GO片在基底上的运动，从而最终决定了所得微带的结构变化。如图3C所示，油墨呈现典型的剪切变薄行为。通过控制油墨的含水量，可以调节粘度。低含水量会导致油墨的高粘度，从而在干燥过程中极大地限制对齐的GO片的运动，从而导致打印微带的大的结构变化。

偏光显微镜（POM）也可以证明油墨的流变性对GO对准的影响（图3D和E）。高含水量（94.3%）的油墨在挤出长丝变干后，其GO薄片容易移动并形成平面对齐。相比之下，较低的油墨含水量（87.0%）会使这些GO薄片移动的能量壁垒更高。 

因此，打印微带的结构变化可以通过调整油墨的流变性来控制。图3F示出了使用不同粘度的油墨打印微带的方位综合强度的分布曲线。油墨的较低含水量导致更宽的峰值分布，表明其结构变化较大，油墨的较高含水量则降低其粘度并有助于GO薄片的容易移动，从而导致更均匀的结构。 

要点4：自发转变为可拉伸弹簧

由定向自组装的二维纳米片实现的打印微带的结构变化，可以用来实现复杂三维结构变化。如图4A，打印的带状物可以在水中自发地转变为超弹性弹簧。打印微带自发转变的机制是基于结构变化的形成。海藻酸钠聚合物基体受到排列的GO薄片的限制，从而限制和引导基体在水中的膨胀（图4B）。图4C所示，打印微带在水中膨胀到一定程度后可以突然转为螺旋弹簧。有限元分析结果进一步证明了结构变化导致形状变形的机理（图4D）。如图4E和F所示，当基底温度升高时，所获得的弹簧的半径、螺距和偏转角度增大。所得弹簧具有超高的拉伸性能，如图4G所示，它可以拉伸到其初始长度的1000%以上。

图4. 结构变化使其自发地向超应力弹簧转变。 

要点5：高导电可拉伸纳米流体离子导体

图5A显示了测量这种弹簧的离子导电性的试验装置。不同盐浓度下的典型电流-电压曲线，显示了对外加电压的线性电流响应（图5B）。图5C比较了在不同电解质浓度下，获得的打印微带的离子导电性。在高电解质浓度下，弹簧的离子导电率随电解质浓度的增加呈线性上升，当电解质浓度较低时，其离子导电性与电解质浓度无关。弹簧的高离子导电性可归因于两个主要原因：其化学成分和高度排列的亚纳米级离子传输通道（图5D）。此外，如图5E所示，在打印微带中有排列良好的间隔为8.6Å的2D亚纳米尺度通道，可以有效地促进正离子的平滑传输。值得注意的是，即使在其初始长度的11倍以上（图5F），弹簧的高离子导电性几乎保持不变。

图5. 高导电性和可拉伸的纳米流体离子导体。

要点6：弹簧作为软弹性神经电极

将获得的弹簧植入牛蛙坐骨神经（图6A）的神经电极上，用于体内复合动作电位记录和神经刺激。由于其水性和螺旋结构的超弹性，螺旋结构的弹簧可以与高度可变形和动态的神经纤维接触（图6B）。如图6C所示的实验装置，在坐骨神经的一端用两根Pt导线作为刺激电极，另一端用两根弹簧电极记录诱发电位。在一系列施加在铂丝上的单相矩形波的刺激下，诱发电位沿神经传导，并由弹簧电极记录（图6D）。

恒定频率为15 hz、宽度为1 ms的不同刺激电压导致一系列不同振幅的电容（图6E）。此外，由弹簧电极记录的诱发电位显示出比由铂丝更高的振幅（图6F），这显示出相对于传统的刚性、干燥和几何不匹配的神经界面金属电极的巨大优势。另外，采用弹簧电极作为肌肉电刺激的刺激电极。弹簧电极诱发的动作电位导致牛蛙腓肠肌收缩，腓肠肌的抽搐力随着施加在弹簧电极上的电压（0.2 V至0.7 V）的增加呈线性上升（图6G）。

 图6. 所获得的弹簧作为神经电极用于动作电位记录和神经刺激。 

小结

本文报道了在3D打印过程中，由定向自组装的二维纳米片在聚合物基体中自发形成的带状物。采用含GO薄片的复合油墨和分散在水中的海藻酸钠聚合物基体，实现了非对称自组装的可控操作。GO薄片的非对称自组装使不同厚度的印刷带具有特定的机械性能。结果表明，打印微带在水中可以自发地转变成具有可控螺旋结构的弹簧。所制备的弹簧在高拉伸应变（>1000%）下，可作为一种具有高且稳定离子导电性的弹性纳米流体离子导体。此外，实验还展示了该弹簧作为神经电极，在动作电位记录和神经刺激方面的应用。 

参考文献：

Mingchao Zhang, et al. Microribbons composed of directionally self-assembled nanoflakes as highly stretchable ionic neural electrodes, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 2020.

DOI: 10.1073/pnas.2003079117

https://www.pnas.org/content/early/2020/06/11/2003079117