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清华航院冯雪课题组在仿生三维神经电极研究方向取得重要进展

日期:2019-11-7(原创文章,禁止转载)

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清华航院冯雪课题组在仿生三维神经电极研究方向取得重要进展


清华新闻网4月23日电 4月19日,清华大学航天航空学院、柔性电子技术研究中心冯雪教授课题组在《科学进展》(Science Advances)在线发表了题为“用于外周神经电刺激与信号采集的形状记忆基仿攀爬缠绕电极”(Climbing-inspired twining electrodes using shape memory for peripheral nerve stimulation and recording)的研究成果。冯雪教授课题组通过力学理论并与信息、材料、化学等学科深度交叉,发展了一种能够在体温驱动下自动攀爬至外周神经束上的三维螺旋形缠绕电极,依靠自然粘附形成稳定且柔性的电极-神经束界面,为外周神经调控技术在临床上的应用提供了崭新的思路。 

仿攀爬缠绕电极用于外周神经调控示意图

外周神经电刺激与信号采集在治疗一些药物难治性疾病如癫痫,抑郁,心衰,假肢等方面具有十分重要的临床意义。而现有的外周神经电极与外周神经束软组织力学性质、几何结构极度不匹配,无法适应外周神经动态变形的特点,且电极的手术植入与固定过程复杂。由此会造成神经束不可逆的损伤,如组织发炎,神经束退化,伴随的副作用给病人带来极大的痛苦,如恶心,呕吐,呼吸障碍等,严重时还会带来生命危险。

受缠绕植物攀爬行为启发,冯雪教授课题组提出了一种三维仿攀爬缠绕电极,以解决上述的电极-神经束界面失配问题。该神经电极能够在二维平面完成复杂结构的制备;利用形状记忆聚合物的可重构功能,并根据外周神经束的几何尺寸设计神经电极的永久形状,完成三维缠绕电极的制备。在手术植入前,将三维螺旋状缠绕电极展平至平面状态以方便手术操作;在手术植入中,利用37 ℃ 生理盐水的驱动,该电极将自动恢复至设计好的三维螺旋形,利用电极与神经束间的自然粘附而形成良好的电极-神经束界面,无需额外的手术固定。智能材料形状记忆聚合物所具有的低弹性模量,以及合理的力学设计(网络状蛇形结构)降低了神经电极的拉伸和弯曲刚度,保证了神经电极能够随着神经束的动态变形而变形,不对神经束造成过大的压力。 

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仿攀爬缠绕电极自攀爬至外周神经束上(在体动物实验)

冯雪教授课题组还开展了两组在体动物实验,即迷走神经电刺激调控心率、坐骨神经电刺激与信号采集,分别验证了所怎么预防孩子出现癫痫呢发展的缠绕电极在外周神经电刺激与信号采集方面的应用潜力。 

迷走神经电刺激调控心率

坐骨神经电信号采集

为指导仿攀爬缠绕电极的结构优化与设计,冯雪教授课题组还对自然界中的缠绕植的攀爬行为与粘附进行了系统的研究,用固体力学中有限变形理论揭示了植物攀爬的内在机理,给出了植物缠绕角的变化规律以及缠绕物与支撑物间的作用力。相关成果于2018年4月28日发表在固体力学顶级期刊《固体力学与物理学报》(Journal of the Mechanics and Physics of Solids),题为 “A finite deformation theory for the climbing habits and attachment of twining plants”(缠绕植物攀爬行为与粘附的有限变形理论)。 

自然界中的缠绕植物及力学模型

另外,冯雪教授课题组关于形状记忆聚合物基三维神经电极的设计、制备等相关实验的研究成果,曾在微电子领域的顶级会议《国际电子器件大会》(“IEEE the 64th International Electron Devices Meeting”)上发表,题为 “Bio-inspired 3D neural electrodes for the peripheral nerves stimulation using shape memory polymers” (应用于外周神经电刺激的形状记忆聚合物基三维神经电极),并于2018年12月4日在美国旧金山做邀请报告。

清华大学航院、柔性电子技术研究中心博士生张迎超为文章第一作者,冯雪教授是论文通讯作者,参与该工作的还有浙江清华柔性电子技术研究院的陈颖、侯国辉、付际,以及浙江大学谢涛教授团队。该研究工作得到了科技部973计划项目、国家自然科学基金项目的资助。

论文链接:

https://advances.sciencemag.org/content/5/4/eaaw1066

供稿:航天航空学院

 编辑:李华山

审核:周襄楠

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