《先进材料》基于石墨烯纤维和铂的新型脑部植入电极

迄今为止，神经系统疾病仍然是一个相对棘手的问题，随着医学的发展，在脑部植入电极的想法逐渐受到关注和研究。在人体长期植入的微电极能够与神经系统相互联系。理想状态下，一个功能性微电极与一个单独的神经元相连接从而记录生理信号，同时传输大量的电荷使神经组织去极化，使其作出相应的响应。

这种双向有效的电极和神经系统之间的连接需要电极具有一定的柔韧性和较低的阻抗，同时尖端尺寸与单个神经元的尺寸相匹配（直径<50 μm且几何表面积<2000 μm2）。

伍伦贡大学的Gordon Wallace教授和新南威尔士大学的Rouhollah Jalili教授合作，通过湿法纺丝制备多孔氧化石墨烯纤维，凝固浴中含有次磷酸，在纺丝的同时将氧化石墨烯纤维还原成石墨烯纤维（GF），且不牺牲纤维的柔性和机械性能。然后通过溅射镀膜法在纤维表面镀一层200 nm厚的铂（Pt）层，提高纤维的电性能。最后在最外层修饰一层绝缘层聚对二甲苯（PC），冷冻切割后，只有纤维两端是电化学活性位点，制备示意图如图1所示。

图1 石墨烯-铂微电极的制备和皮质内的植入示意图

作者制备的石墨烯-铂微电极纤维具有较好的柔韧性，当修饰有铂和绝缘层后，纤维两端仍能保持多孔结构，有利于提高材料灵敏度和电荷注入能力，同时降低材料阻抗。铂的引入明显提升了纤维的电性能，与未改性的石墨烯纤维相比，电荷储存容量为946 ± 140 mC cm−2，提高了两个数量级，电荷注入能力提升两倍，且这种石墨烯-铂电极材料的电性能和信噪比也明显高于之前报道的电极材料，实现了比较大的突破。

图2 (a)石墨烯纤维具有较好的柔性并能够打结, 直径为(b)40 μm (GF-Pt-40)和(c)20 μm (GF-Pt-20)的石墨烯纤维的SEM照片, (d)石墨烯纤维的高倍SEM照片, (e)石墨烯纤维的电阻系数与铂层厚度及纤维长度的关系, (f-h)GF-40, GF-Pt-40和GF-Pt-PC-40的SEM照片, GF-Pt-40的截面(i, j)和端部(k, l)的SEM照片

为了测试制备的微电极的实用前景，作者将单根微电极（图3a）和四根组合微电极（图3b）植入到成年鼠的大脑皮层中，并对老鼠的神经信号进行记录。在记录过程中，电化学信号较为稳定。但是当四根不同长度的电极组合同时植入的时候，NO.4电极过短不能进入大脑，其中进入大脑的三个电极中，NO.1和NO.2电极都具有电活性，进一步说明制备的微电极具有能够分别和两个甚至多个单独的神经元连接的潜力。

图3 (a)体内植入微电极的照片, (b)四根微电极组合的照片,(c)四根微电极的CV曲线, (d)植入皮质层1.5 mm深度的两根微电极NO.1和NO.2的电信号,(e)植入电极10 min内记录的电信号

作者在该工作中只利用制备的微电极进行了较短时间的监测，得到了较好的结果，但是为了能将材料实际应用于临床，还需要对材料的长期活性进行测试，因此，作者在文末指出，下一步工作将会研究微电极在体内的长期活性及稳定性能。

该工作发表在Advanced Materials。

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201805867

来源：高分子科学前沿