? ? ? ?近日，南方科技大學生物醫學工程系肖凱副教授團隊和機械與能源工程系劉吉副教授、國家納米中心涂斌副研究員在Device期刊上合作發表了題為“Artificial Nerve for Neuromodulation based on Structured Piezoionic Hydrogel”的研究型文章。
? ? ? ?該研究受傳入神經元觸覺小體的壓力感知機制啟發（即壓感離子蛋白通道），成功制備了基于定向微尺度纖維結構水凝膠的離子壓電仿生神經元，利用結構化水凝膠中壓力驅動的離子遷移實現壓力傳感、時空整合和神經調控等復雜功能，展現了其在神經假肢應用方向的潛力。
? ? ? ?壓力感知連接智能生命和外部世界，輔助生物感知環境變化，是人機交互的重要組成部分。為實現傳感交互，傳統壓力傳感系統需要高密度的傳感器陣列以及光遺傳學界面實現壓力信號到生物電信號的轉換，存在信號錯配的問題。而生物感知系統是由機械感受器、傳入神經和連接突觸組成的“感算存”一體化系統，通過壓力響應的Ca2+離子通道和膜電位響應的Na+、K+通道的離子傳輸，實現觸覺感知和神經信號傳遞，能耗極低(<20 W)。因此，借鑒智能生命的感知機制，探索基于離子遷移的仿生壓力感知神經元器件，很可能打破人機交互所面臨的信號匹配和能耗問題。
圖1 生物觸覺感知系統和離子壓電仿生神經元的工作機理示意
? ? ? ?受生物觸覺的啟發，我們報道了一種基于結構化離子壓電水凝膠的仿生神經元，具有壓力傳感，時空整合和神經調控的一體化功能（圖 1）。組成仿生神經元的結構化水凝膠包含定向排列的聚對苯二甲酸乙二酯（PET）微纖維，基于帶電凝膠網絡中離子擴散系數不同實現壓力刺激到生物電信號的轉換，壓電轉換靈敏度達到0.043 mV/kPa。進一步，通過搭建神經界面（圖 2），仿生神經元的離子壓電信號（電勢幅度30 mV,電流密度 65 μV/cm2）可以直接被大鼠坐骨神經識別，并激發相連肌肉組織產生肌電信號。該離子壓電仿生神經元可通過改變刺激頻率和持續時間來激活外周神經和相連肌肉產生不同類型的肌電信號，為基于壓力感知的神經接口通信提供了一種設想，在智能假肢應用領域具有很大發展空間。
圖2 基于離子壓電信號的外周神經電調控
?
文章信息：
第一作者：戴季卿
通訊作者：涂斌，劉吉，肖凱
合作單位：南方科技大學，中國科學院國家納米中心，中國科學院大學
廣東省深圳市南山區學苑大道1088號
bme@sustech.edu.cn
關注微信公眾號
