周围神经系统（PNS）连接中枢神经系统（CNS）与全身各器官，是获取生理状态信息及调节器官功能的关键目标。然而，周围神经接口的植入设备在寿命和分辨率上面临诸多挑战，主要原因在于神经电极接口质量差、手术侵入性强以及免疫排斥反应导致的长期问题等。在材料科学和微加工技术的进步下，研究人员致力于开发柔性和顺应性神经接口，以提升接口质量和长期稳定性。

近期，剑桥大学电子工程系的研究团队研发了一种顺应性植入式的神经袖带。此设备不仅在长时间植入后仍能与神经保持高质量、稳定的接口，还能有效记录和调节神经活动，展示出优越的生物相容性和低纤维化疤痕反应。这种新型袖带植入物为周围神经接口提供了一个创新平台，不仅适用于基础生理学研究，还具备在神经性疼痛等闭环治疗中的应用潜力。文章于2024年8月30日发表于《Nature Communications 》期刊上。

结果

顺应性神经袖带的设计与制造

研究人员使用了仅4微米厚的聚对二甲苯C（PaC）作为袖带的基材，确保设备能够紧密贴合弯曲的神经表面而不会造成损伤（图1a）。袖带中的多电极阵列使用聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸)（PEDOT:PSS）微电极（100×100微米），用于高分辨率记录。两个更大的电极分别用于记录整个神经的活动和提供局部刺激。

袖带针对大鼠前肢的三条关键神经（正中神经、尺神经和桡神经）进行高度柔性和小尺寸设计，每个袖带都拥有独特的尺寸和形状，使其可以轻松植入大鼠前肢的多条神经中，减少手术创伤。袖带设计了缝合环和手术引导片，帮助设备在植入过程中更容易操作并固定（图1b,c）。此外，通过在袖带封口处使用快速固化的硅胶进行密封，确保植入后袖带的顺应性和紧密度，避免免疫排斥反应。经过测试，该设备在盐水环境以及大鼠体内中显示出良好的电极阻抗，证明了该设备在复杂环境中的稳定性和高效性能（图1d-g）。

神经袖带植入物的长期组织相容性

神经植入设备与周围组织的长期生物兼容性至关重要。为了验证此顺应性神经袖带的长期适用性，研究人员在大鼠的桡神经中植入该设备，并进行了为期28天的观察（图2a）。

结果发现，与传统的医用级聚二甲基硅氧烷（PDMS）和聚乙烯（PE）袖带相比，植入PaC袖带的神经几乎没有纤维化反应，αSMA阳性肌成纤维细胞的染色水平显著低于PDMS和PE（图2b, c）。同时，植入PaC袖带后的轴突密度没有显著变化（图2d），表明该设备在长期使用中对神经组织没有造成明显损伤。此外，PaC材料的抗弯刚度与神经组织匹配度较高。这些结果表明PaC袖带的组织相容性良好，能够显著减少免疫排斥反应（FBR）。

Fig2. 超顺应 PaC 神经袖带在体植入四周后FBR极小。a. 神经横截面的照片和免疫组织学特征。b. 不同深度下的神经周长纤维化（α-SMA染色）量化。c. 袖带附近25 μm神经组织内的纤维化（α-SMA染色）量化。d. 所有三种植入条件下的神经横截面内轴突密度（β3微管蛋白染色）量化。e. 不同袖带的弯曲刚度测量结果，分别用于管状（空圆）和片状（矩形）样品。

超顺应性袖带：长期稳定的神经记录

为了测试袖带植入物的长期在体使用性能，研究人员使用大鼠模型进行为期21天的神经记录。袖带被植入大鼠前肢神经，通过外部连接实时记录爪部运动相关的神经信号（图3a,b）。

结果发现，实验期间，袖带设备能够持续记录动作电位，信噪比（SNR）和脉冲幅度在整个实验过程中保持稳定（图3c,d），证明了其长期记录的可靠性。其次，通过脉冲分类分析，设备成功捕捉到了每条神经的独特活动模式，尤其是正中神经和尺神经的活动与爪子姿态阶段的匹配，以及桡神经活动与爪子摆动阶段的对应。重要的是，袖带在慢性植入期间仅出现微小的电极阻抗变化，且没有功能性电极的显著损失，这证明了该设备的长期稳定性（图3e-g）。

Fig3. 超顺应神经袖带阵列可实现对目标神经的长期稳定记录。a. 动物在进行电生理记录时的行为任务照片。b. 大鼠正中神经在袖带植入21天期间的神经活动代表性记录。c, d. 来自正中神经、尺神经和桡神经袖带的记录信号-噪声比（SNR）和尖峰幅度的散点图。e, f. 微电极阻抗(e)和生存率(f)在植入期间的变化。g, h. 尖峰波形和来自正中、尺、桡神经的代表性神经痕迹及均方根平均值。

亚神经分辨率记录和信号速度分类

传统植入式神经袖带通常仅能记录整个神经的平均活动，无法精确定位到神经的部分活动。研究人员通过采用环状微电极阵列（图4a），结果发现设备成功捕捉到了神经部分的独特活动模式。多个微电极同步记录到了脉冲活动，每个微电极能够识别不同来源的神经脉冲（图4b-d），证明了设备具有亚神经分辨率的记录能力。同时，利用微电极的精确排列，研究人员对神经信号的传导速度进行了分类，具体识别出慢感觉纤维（10-30 m/s, Aδ fibre）、最慢感觉纤维（1-3 m/s, C fibre ）和慢运动纤维（1-3 m/s, Aγ fibre）等神经纤维的传导速度，进一步证实了袖带设备的高效记录和分类能力。此外，实验表明，正中、尺和桡神经的记录活动与动物的运动和感觉功能高度匹配（图4）。

Fig4. 超顺应袖带阵列可在不穿透神经的情况下实现亚神经记录分辨率。a. 围绕桡神经周围的一个微电极环的布局示意图。b. 沿桡神经周围四个微电极中检测到的尖峰事件。c. 来自桡神经微电极环上四个电极的样本记录。d. 针对(b)中显示的活动的尖峰共检测量化。e. 沿桡神经长度分布的微电极布局示意图。f. 来自袖带内两个不同环中微电极的神经活动记录。g. 对桡神经中位于袖带中最靠近和最远的两个环之间微电极神经活动延迟的量化

亚神经分辨率的刺激调控前肢爪子运动

植入式神经接口通常通过电刺激调节神经活动，但大多数设备只能刺激整个神经，缺乏精确的神经分辨率。为测试开发的神经袖带能否实现对部分神经的选择性刺激，研究人员评估了神经袖带刺激调节不同前肢爪子运动的能力（图5a, b）。

结果发现，通过对正中神经、尺神经和桡神经的选择性刺激，神经袖带能够调控大鼠前肢的多种不同爪子运动（图5c），如手腕和手指的屈曲与伸展。这种选择性刺激效果接近穿刺设备的分辨率，但无需穿透神经外膜，降低了侵入性。通过袖带内单个微电极的刺激，设备甚至可以组合多种微电极刺激，调节产生更复杂的运动（图5d-f）。

Fig5. 超顺应袖带阵列实现了亚神经刺激分辨率。a. 实验装置示意图。b. 刺激神经前（左）和刺激神经期间（右）产生的运动示例图片。c. 通过微电极刺激产生的运动量化热图。d. 通过刺激三条不同神经上的微电极产生的运动类型的量化。e, f. 针对大鼠1的各种运动进行运动学分析的主成分图。

精准识别与追踪C纤维活动变化

在确定神经袖带能够以高分辨率追踪并调控神经活动变化之后，研究人员下一步利用该设备进行神经病理性疼痛的研究。具体而言，使用部分坐骨神经结扎模型（图6a），研究人员在大鼠中成功诱导了神经病理性疼痛，并结合神经袖带设备记录到了C纤维活动的显著变化。结扎后的大鼠在爪子区域对外部刺激的敏感性显著增加，同时C纤维活动（1.0-1.5 m/s的传入信号）显著增强，与对照手术组相比具有统计学显著性（图6b-d）。

研究发现，在没有外部刺激的静止状态下，结扎后的大鼠表现出C纤维活动的整体增加，这一现象在术后14天内持续存在。对照手术组动物也在术后前两天表现出较高的自发性C纤维激活，但随后活动水平恢复至基线，这体现了术后痛觉性疼痛与神经病理性疼痛的差异。重要的是，长期植入神经袖带并未对神经健康产生不良影响，且在整个实验过程中保持了稳定的记录性能（图6e-g）。

Fig6. 神经病理性疼痛部分神经结扎模型中的 C 纤维活动追踪。a. 实验装置的示意图和照片。b. 在不同时间点施加的力图表，显示大鼠缩回受操作的后肢的时间。c. 清醒大鼠中量化C纤维活动的分析策略。d. 基于延迟/速度的神经信号分布代表性量化结果，比较有神经性疼痛的大鼠（蓝色）与无神经性疼痛的大鼠（红色）。e, f. 比较神经性疼痛组与假手术组在足部刺激（引起爪子缩回的足够力量）下的C纤维活动的相关系数和尖峰间隔，数据为最高感觉相关系数峰值的比率（e）或总尖峰数的比率（f）。g. 不同时间段植入后C纤维活动在休息动物中的图表。

讨论

此研究开发了一种新型神经袖带用于周围神经接口，通过结合低阻抗微电极阵列与高度顺应性设计，实现了亚神经分辨率的神经记录和调控。此种新型神经袖带主要具有以下技术优势：实现了亚神经分辨率神经记录和调控；对不同神经纤维类型的神经信号传导速度和方向的高分辨率分类；记录长期稳定性与低侵入性等。此设备不仅在基础神经科学研究中有广泛应用潜力，还为临床神经调控和治疗提供了新的工具。其非侵入性和长期稳定性优势使其潜在成为替代传统穿刺设备的神经调节工具，能够用于手部运动控制、神经疾病诊断和闭环治疗等多种场景。

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