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软材料生物电子学可完毕从单细胞到器官级的生物功能检测。在动态变化的体内环境中，软性生物界面不错适合活体组织的捏续机械变形，从而为生物系统提供可靠的通谈。关于复杂而密致的神经系统界面，弹性团员物材料，包括聚二甲基硅氧烷（PDMS）、环烯烃共聚弹性体（COCE）、聚氨酯（PU）和水凝胶已被用作多功能竖立的合适弹性基底，这些竖立可完毕神经光遗传学刺激、电生理记载、药物输注和神经递质检测。但是，在软弹性器件中制造专用微结构仅限于二维（2D）结构，何况严重依赖于光刻和微打印等复杂的制造步调。

来自好意思国纽约州立大学宾汉姆顿分校的Qianbin Wang和Siyuan Rao团队开垦了一种通过限度变质团员物的非晶-晶体回荡来完毕小型化并将多个组件集成到水凝胶生物电子器件中的制造步调。本究诘完毕了化学交联聚乙烯醇水凝胶纤维在统统水合景象下直径收缩约 80%。这种策略不错迂回水凝胶的特色，包括折射率（1.37-1.40，480 纳米）、透光率（>96%）、拉伸性（139-169%）、迂曲刚度（4.6 ± 1.4 N/）和弹性模量（2.8-9.3 MPa）。为了扩张其应用，在小鼠腹侧被盖区应用了阶跃指数水凝胶光学探针，并纠合了纤维光度记载和社会步履测定。此外，还在水凝胶中加入导电纳米材料，制作了碳纳米管-PVA 水凝胶微电极，用于记载自愿神经行动。本究诘完毕了同期对通谈色素-2 转基因小鼠进行光遗传刺激和光触发神经行动的电生理记载。关连责任以题为“Control of polymers’ amorphous-crystalline transition enables miniaturization and multifunctional integration for hydrogel bioelectronics”的著述发表在2024年04月25日的国外顶级期刊《Nature Communications》。

1. 立异型究诘施行

本究诘开垦了一套交联化学和微制造工艺，用于限度交联 PVA 水凝胶的团员物结晶域助长。在生理条款下（pH 值 6-8，37℃），水凝胶在水合景象下可捏续完毕巩固且可调的体积减小。通过影响团员物链互相作用的酸化责罚，同期引入无机粘合剂正硅酸四乙酯（TEOS）和平素戊二醛（GA）的双重交联剂，最大礼貌地减少了多晶体散射（晶体大小约为 3.5 nm），并耕种了水凝胶的折射率（RI）。单轴变形引起的进一步纳米晶体取向促进了纳米级各向异性结构的产生。这种限度变质团员物无定形-晶体回荡（COMPACT）的策略使水合景象下的水凝胶纤维直径减少了 79.7%，同期保捏了高拉伸性（139.3-169.2%）、相对较低的弹性模量（2.8-9.3 MPa）和较低的迂曲刚度（4.6 ± 1.4 牛/米）。诈欺一系列选项限度 COMPACT 水凝胶 RI 的才略，本究诘开垦了具有明显 RI 对比度（ncore = 1.40，ncladding = 1.34）的芯包层水凝胶纤维。这些包芯结构的水凝胶纤维被应用于小鼠大脑腹侧被盖区（VTA）在社会来回配景下的同步光度记载。诈欺这些可调水凝胶基质支架的上风，在 COMPACT 水凝胶中加入了导电纳米材料--碳纳米管（CNTs），以制造软微电极，并测试了其对小鼠大脑自愿神经行动进行电生理记载的功能。通过整合水凝胶光学中枢和 CNTs-PVA 微电极，咱们开垦出了多功能水凝胶光电器件，并在转基因 Thy1:: ChR2-EYFP 小鼠体内演示了同期光遗传刺激和光触发神经行动的电生理记载。

【水凝胶可控收缩的 COMPACT策略】

化学交联 PVA 水凝胶具有优异的光学特色 、抗倦怠性和生物相容性，已被世俗应用于生物电子学限制。为进一步探索 PVA 水凝胶的可控小型化特色，同期保留这些上风特色，本究诘贪图了通过限度变质团员物的非晶-结晶回荡的制造步调，包括以下几个方面：（1）团员物链折叠并用多种交联剂固定；（2）热闹水凝胶基质均分子链间的互相作用；（3）指点纳米结晶畴的定向助长。本究诘按照三个主要花式履行了 COMPACT 战术，以限度单个团员物链折叠、团员物链相聚互相作用和纳米晶体助长。最初通过均质化引入 TEOS 在 PVA 溶液中的水解（图 1a），然后加入通用交联剂 (GA)。本究诘选拔了两种交联剂的组合，以便通过共价键限度团员物链的流动性，并平行迂回水凝胶的折射率。然后，对交联水凝胶进行酸化，以促进分子链间的互相作用。通过成型和挤压步调制备了纤维状水凝胶。对统统酸化的水凝胶施加外部机械拉伸，并在干燥经过中保捏这种拉伸。去除水凝胶中的水分子后，选择高温（100℃）退火进一步促进纳米晶域的助长和取向。

为侦察 COMPACT 策略是否能保捏水凝胶在水合景象下的体积收缩，本究诘还检测了交联水凝胶在原始、干燥和再水合景象下的尺寸和水分含量（图 1b-e）。在原始景象（图 1b）和干燥景象（图 1c）下，TEOS-GA 交联（COMPACT+）和 GA 交联（COMPACT-）的两种水凝胶纤维自满出相同的几何神志和水分含量（图 1e）；但是，只好 TEOS-GA 交联的 PVA 水凝胶纤维在酸化和机械拉伸后能保捏再水化景象下的较小直径（图 1d、e）。

在证据水凝胶经 COMPACT 责罚后在再水化景象下仍具有收缩特色后，测试了尺寸收缩是否取决于材料的几何神志和外部截至。本究诘制备了薄膜、纤维和块状水凝胶，并检测了 COMPACT 水凝胶薄膜厚度（T，图 1f）、纤维直径（D，图 1g）和体积（V，图 1h）的变化。经酸化责罚的 TEOS-GA 交联 PVA 水凝胶薄膜的厚度减少率为 93.4 ± 3.6%（原始厚度：501 ± 134 µm；再水化厚度：33 ± 18 µm，图 1f）。经过酸化和机械应变（200%）责罚的 TEOS-GA 交联 PVA 水凝胶纤维的最大直径收缩率为 79.7 ± 2.3%（图 1g）。在三维（3D）摆脱收缩结构中，不雅察到酸化 TEOS-GA 交联圆柱体的体积收缩率为 80.9 ± 0.7%（图 1h）。

图1 水凝胶小型化的 COMPACT 战术

【COMPACT 水凝胶纤维的可调特色】

通过 COMPACT 完毕的水合水凝胶尺寸缩减，本究诘开垦出一系列直径可控、光学和机械性能可调的水凝胶纤维，用于生物医学限制。本究诘通过改造无机交联剂（TEOS）的含量、酸化和外部机械拉伸，绘画了一张合理而全面的收缩图（图 2a）。一般来说，交联密度越大，交联剂越多，团员物链的延展性就越差，水化后的尺寸就越小。酸化责罚显赫耕种了不同交联密度的收缩率，而机械静态拉伸则进一步减小了水凝胶纤维的直径（79.7 ± 2.3%）。为了让 COMPACT 适合实用的模塑-挤压制造工艺，究诘了一系列使用不同尺寸硅胶模具制造的水凝胶纤维（图 2b）。与模具尺寸无关，所有 COMPACT 水凝胶纤维的直径皆收缩了 79% 以上，这与收缩图（图 2a）一致。举例，使用 300 μm（内径）硅胶模具制造出的水凝胶纤维直径为 80 ± 4 μm。

磋商到光纤在体内的应用，本究诘探究了 COMPACT 水凝胶纤维的光学、机械和细胞毒性特色。为确保光刺激和记载的高效光传输，磋商了水凝胶纤维芯的两个伏击参数：折射率（RI）和透光率。发现水凝胶的折射率可通过 TEOS 含量进行迂回。TEOS 含量为 0 wt. % 至 4 wt. % 的 COMPACT 水凝胶在干燥景象下的折射率为 1.48 至 1.60（图 2c），在水合景象下的折射率为 1.37 至 1.40，与其他传统团员物的折射率十分。固然透射率皆保捏在 96% 以上，但 TEOS 含量的加多也会导致透射率着落（图 2c）和自愿荧光加多。最好 TEOS 含量选为 3 wt.%，水凝胶的折射率为 1.54 ± 0.01（图 2c），透射率大于 96%（图 2c，膜厚 0.15 ± 0.02 mm），自愿荧光相对荧光单元 (RFU) 为 6.13 ± 0.16。

为模拟体内责任景象，本究诘检测了 COMPACT 水凝胶在水合景象下的机械性能。COMPACT 水凝胶纤维弘扬出相对较低的弹性模量，同期保捏较高的伸展性（图 2d）。优化的 COMPACT 水凝胶纤维（3 wt. % TEOS、12 mM HCl 酸化责罚和 200% 拉伸，直径：227 ± 18 μm）的弹性模量为 4.8 ± 1.7 MPa，拉伸性为 139.4 ± 26.0%。当纤维状神经探针插入脑组织时，其轴向迂曲刚度是脑微动下的一个伏击机械参数。与二氧化硅纤维（弹性模量约为 20 GPa）和团员物纤维（弹性模量约为 1 GPa）比较，COMPACT 水凝胶纤维与神经组织的机械匹配性更好（1-4 kPa），轴向迂曲刚度更低（图 2e），从而减少了体内究诘中微动对神经组织的损害。本究诘的初步评估侧重于植入后 14 天脑组织的免疫反应。与较硬的二氧化硅纤维比较，不雅察到水凝胶纤维植入部位周围的星形胶质细胞、小胶质细胞积贮、活化的巨噬细胞和免疫球卵白 G 减少了。随后，评估了 30 天后的慢性免疫反应，发现水凝胶纤维植入部位周围的星形胶质细胞和小胶质细胞变成率低于硅胶纤维植入部位。

图2 可控水凝胶纤维的制造过火特色

【阶跃指数水凝胶光纤】

COMPACT 水凝胶最初被制成门路指数光纤。光芯层和包层之间的 RI 对比度加多可确保光的传输，从而耕种光检测奢睿度（图 3a）。笔据 COMPACT 水凝胶的可调折射率（图 2c），贪图了具有高 RI 内芯（ncore = 1.40）和低 RI 包层（ncladding = 1.34）的门路指数水凝胶光纤。水凝胶纤维与镶嵌光学套圈的二氧化硅段相连，这么既能提供牢固的链接，又能防护成功清晰在组织外的水凝胶脱水和光耗费。通过比较裸芯光纤、带有平素包层的阶跃指数光纤和带有光保护包层的光纤之间的透光率，考据了 RI 对比纤芯-包层结构的功能（图 3b、c）。裸芯光纤（直径为 329 ± 17 μm）的衰减相对较高（1.87 ± 0.53 dB/cm），而在 372 ± 10 μm 芯名义引入薄薄的低 RI 包层（厚度为 84 ± 4 μm，ncladding = 1.34）后，光传输衰减降至 1.75 ± 0.08 dB/cm（图 3d）。一种具有代表性的光招揽纳米材料，复原氧化石墨烯（rGO）被添加到低 RI 包层中，以进一步保护光纤侧名义的光败露，并因此将光衰减降至 0.94 ± 0.25 dB/cm（纤芯 339 ± 35 μm，包层：36 ± 11 μm 的 5 分量百分比 PVA 与 0.21 分量百分比 rGO）（图 3d）。

为考据其在体内光学检测方面的功能，本究诘在小鼠社会步履的配景下对 COMPACT 水凝胶纤维进行了光度记载测试。已诈欺多种工夫究诘了与小鼠外交步履关连的 VTA 区域过火关连回路的激活。看成见识考据应用，本究诘考据了 COMPACT 水凝胶纤维可对小鼠大脑深层结构 VTA 进行光度记载，并同期不雅察小鼠的外交步履。在打针含有基因编码钙指令剂（hSyn::GCaMP6s）的腺关连病毒（AAV）后，本究诘将 COMPACT 光导纤维（580 ± 35 µm）单侧植入 VTA（图 3e）。水凝胶纤维从干燥景象（硬）到水合景象（软）的硬度变化有助于植入标定的小鼠大脑坐标。使用纤维光度测量系统（波长：λ异相点 = 405 nm，λ引发 = 470 nm，λ辐射 = 510 nm）相聚 GCaMP 荧光变化，看成反应神经行动的代用标的（图 3f、g）。AAV 抒发培养 4 周后，对小鼠进行了外交步履测试，并同期进行了光度记载。使用 DeepLabCut(DLC)无象征姿势推断和定制开垦的 MATLAB 算法分析了小鼠的外交互动（图 3f）。不雅察到 GCaMP 荧光强度的加多与小鼠外交互动时辰关连（图 3h）。本究诘将细胞水平的神经行动与系统神经科学步履评估磋商起来，为神经科学究诘提供了发现神经回路与步履因果关系的伏击用具。

图3 用于光度记载和步履评估的水凝胶光学神经探针

【多功能水凝胶神经探针】

水凝胶基质不错加入各式纳米级材料，在保捏伸展性的同期扩张其功能。为丰富水凝胶神经探针的电记载模式，在水凝胶交联经过中将导电 CNT（长径比为 2000-10000:1）引入 PVA 水凝胶中（图 4a、b）。通过酸化促进团员物链互相作用和机械拉伸，CNTs 可编织成辫子状参预团员物基质，并确保与 PVA 链缠结，从而增强了看成渗流相聚的导电性。引入 CNT（0.08-0.24 wt.%）后，不雅察到纳米结晶度变化不大，但纳米结晶尺寸有所减小。这些效果可施展为纳米材料与团员物链之间的独特互相作用截至了团员物链的折叠。当 CNTs-PVA 水凝胶纤维履历机械拉伸时，它们保捏了各向异性的结构和相同的尺寸。在水凝胶基质中加入刚性碳材料后，CNTs-PVA 复合材料的弹性模量加多（0.16 wt. % CNTs-PVA 水凝胶，39.4 ± 13.7 MPa），拉伸性裁汰（47.9 ± 12.2%）。为了在用作体内电极，本究诘优化了 CNT 的浓度，以均衡导电性和机械性能。用苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（SEBS）粘弹性涂层绝缘的 CNTs-PVA 水凝胶电极（直径为 86 ± 5 μm，图 4c）在 1 kHz 时的阻抗为 658 ± 277 kΩ，阻抗可通过贪图的模具尺寸进行迂回，以限度电极直径和 CNTs 的负载量（图 4d、e）。通过在 PBS（37℃，图 4f）中培养 6 周以上、在东谈主工脑脊液（aCSF）中培养 2 周以上以及植入小鼠脑组织，对 CNTs-PVA 电极的巩固性进行了评估。在所有这些条款下，皆不雅察到了巩固的阻抗性能。

图4 集成多功能水凝胶神经探针

2. 追忆与估量

通过限度半结晶团员物的非晶-结晶回荡，可成功制造弹性软材料。COMPACT 战术将其扩张到精密光电竖立的制造，为水凝胶生物电子学的小型化和集成化提供了一个通用的模块化平台，从而完毕了对复杂生物系统的多模式检测。

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