勇于冒险 甘于艰苦 乐于和谐

       近日，南方科技大学生物医学工程系肖凯副教授团队和机械与能源工程系刘吉副教授、国家纳米中心涂斌副研究员在Device期刊上合作发表了题为“Artificial Nerve for Neuromodulation based on Structured Piezoionic Hydrogel”的研究型文章。

       该研究受传入神经元触觉小体的压力感知机制启发（即压感离子蛋白通道），成功制备了基于定向微尺度纤维结构水凝胶的离子压电仿生神经元，利用结构化水凝胶中压力驱动的离子迁移实现压力传感、时空整合和神经调控等复杂功能，展现了其在神经假肢应用方向的潜力。

       压力感知连接智能生命和外部世界，辅助生物感知环境变化，是人机交互的重要组成部分。为实现传感交互，传统压力传感系统需要高密度的传感器阵列以及光遗传学界面实现压力信号到生物电信号的转换，存在信号错配的问题。而生物感知系统是由机械感受器、传入神经和连接突触组成的“感算存”一体化系统，通过压力响应的Ca²⁺离子通道和膜电位响应的Na⁺、K⁺通道的离子传输，实现触觉感知和神经信号传递，能耗极低(<20 W)。因此，借鉴智能生命的感知机制，探索基于离子迁移的仿生压力感知神经元器件，很可能打破人机交互所面临的信号匹配和能耗问题。

图1 生物触觉感知系统和离子压电仿生神经元的工作机理示意

       受生物触觉的启发，我们报道了一种基于结构化离子压电水凝胶的仿生神经元，具有压力传感，时空整合和神经调控的一体化功能（图 1）。组成仿生神经元的结构化水凝胶包含定向排列的聚对苯二甲酸乙二酯（PET）微纤维，基于带电凝胶网络中离子扩散系数不同实现压力刺激到生物电信号的转换，压电转换灵敏度达到0.043 mV/kPa。进一步，通过搭建神经界面（图 2），仿生神经元的离子压电信号（电势幅度30 mV,电流密度 65 μV/cm²）可以直接被大鼠坐骨神经识别，并激发相连肌肉组织产生肌电信号。该离子压电仿生神经元可通过改变刺激频率和持续时间来激活外周神经和相连肌肉产生不同类型的肌电信号，为基于压力感知的神经接口通信提供了一种设想，在智能假肢应用领域具有很大发展空间。

图2 基于离子压电信号的外周神经电调控

文章信息：

第一作者：戴季卿

通讯作者：涂斌，刘吉，肖凯

合作单位：南方科技大学，中国科学院国家纳米中心，中国科学院大学

DOI: https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100436

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