DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47988-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38664445
تاريخ النشر: 2024-04-25
المؤلف: Sizhe Huang وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث مستقبلات الضوء والضوء الجيني
نظرة عامة
تقدم البحث تقنية تصنيع جديدة للأجهزة البيوإلكترونية اللينة التي تعزز خصائصها التكيفية للحركة، وخاصة للواجهات العصبية التي تهدف إلى استكشاف الدوائر العصبية المعقدة. من خلال التحكم في الانتقال من الحالة غير المتبلورة إلى الحالة البلورية للبوليمرات المتحولة، يحقق المؤلفون تقليصًا كبيرًا في قطر ألياف هيدروجيل بولي فينيل الكحول (PVA) المرتبطة كيميائيًا بنسبة تقارب 80% أثناء ترطيبها بالكامل. يسمح هذا التصغير بالتحكم الدقيق في خصائص الهيدروجيل المختلفة، بما في ذلك معامل الانكسار الذي يتراوح من 1.37 إلى 1.40 عند 480 نانومتر، ونقل الضوء الذي يتجاوز 96%، والتمدد بين 139% و169%، وصلابة الانحناء 4.6 ± 1.4 N/m، ومعامل مرونة يتراوح من 2.8 إلى 9.3 ميغاباسكال.
تظهر الدراسة أيضًا تطبيق هذه الهيدروجيل المتقدمة في الجسم الحي، باستخدام مجسات بصرية هيدروجيل ذات مؤشر خطوة في منطقة التاج البطني للفأر، جنبًا إلى جنب مع قياسات الفوتومترية الضوئية واختبارات السلوك الاجتماعي. بالإضافة إلى ذلك، يصنع المؤلفون أقطاب ميكروية من هيدروجيل كربون نانو أنبوب-PVA لتسجيل الأنشطة العصبية العفوية، مما يمكّن من التحفيز الضوئي المتزامن والتسجيلات الكهربية للأنشطة العصبية المستحثة بالضوء في الفئران المعدلة وراثيًا من نوع Channelrhodopsin-2. يبرز هذا العمل إمكانيات البيوإلكترونيات المواد اللينة لاستجواب الوظائف البيولوجية عبر دقات مختلفة، من مستوى الخلية الواحدة إلى مستوى الأعضاء، مع التكيف مع التشوهات الميكانيكية الديناميكية للأنسجة الحية، مما يعزز موثوقية تقنيات واجهة الأعصاب.
الطرق
في هذا القسم، يتم تفصيل الطرق المستخدمة لتوصيف مواد الهيدروجيل من خلال حيود الأشعة السينية (XRD) وقياس المسح الحراري التفاضلي (DSC). لتوصيف XRD، تم إجراء قياسات تشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة (SAXS) وتشتت الأشعة السينية بزاوية واسعة (WAXS) باستخدام جهاز SAXSLAB GANESHA 300XL. تم حساب متوسط حجم المجالات النانوية البلورية باستخدام معادلة شيرر، \( D = k \lambda / (\beta \cos \theta) \)، حيث \( k \) هو عامل الشكل، \( \lambda \) هو طول موجة الأشعة السينية (1.54 Å)، \( \theta \) هو زاوية براج، و \( \beta \) هو العرض الكامل عند نصف الحد الأقصى (FWHM) لقمم WAXS. تم اشتقاق المسافة d من \( d = 2\pi/q_{\text{max}} \)، مع الحصول على \( q_{\text{max}} \) من أنماط SAXS. تم إجراء ملاءمة المنحنى لـ FWHM و \( q_{\text{max}} \) باستخدام برنامج Origin، وتم اختبار كل ليف هيدروجيل ثلاث مرات لضمان القابلية للتكرار.
لتوصيف DSC، تم تقييم درجة البلورية لألياف الهيدروجيل باستخدام جهاز TA 2920 DSC. تم تحليل العينات (1-15 ملغ) في حالة مجففة، وتم تسخينها من 30 درجة مئوية إلى 300 درجة مئوية بمعدل 20 درجة مئوية/دقيقة، مع استخدام وعاء فارغ كمرجع. تم تسجيل تدفق الحرارة التفاضلي، وتم تحديد حرارة انصهار الذوبان من خلال تكامل مناطق القمم الماصة للحرارة. تم حساب درجة البلورية، \( \alpha \)، باستخدام الصيغة \( \alpha = (4H_m / 150 \, \text{J/g}) \times 100\% \)، حيث يمثل \( 4H_m \) حرارة الانصهار المتكاملة للعينة. تم أيضًا تكرار كل تحليل DSC ثلاث مرات، وتم تلخيص النتائج في الجدول التكميلي 1.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تسهم في فهم سؤال البحث. تظهر النتائج الرئيسية وجود علاقة قوية بين المتغيرات قيد التحقيق، مما يشير إلى أن الفرضية المقترحة مدعومة بالبيانات. تكشف التحليلات الإحصائية أن التأثيرات الملحوظة ليست فقط ذات دلالة إحصائية ولكن أيضًا ذات صلة عملية، حيث تشير أحجام التأثير إلى تداعيات ذات مغزى في هذا المجال.
علاوة على ذلك، تسلط المناقشة الضوء على التطبيقات المحتملة لهذه النتائج، مع التأكيد على أهميتها في السيناريوهات الواقعية. يتم الاعتراف بحدود الدراسة، وتقديم اقتراحات للبحث المستقبلي لاستكشاف الآليات الأساسية بشكل أعمق والتحقق من النتائج عبر سياقات مختلفة. بشكل عام، تعزز النتائج المعرفة الحالية وتفتح آفاقًا للتحقيقات اللاحقة.
المناقشة
تستهدف استراتيجية COMPACT للهيدروجيل بولي فينيل الكحول (PVA) المرتبطة كيميائيًا تحقيق انكماش قابل للتحكم مع الحفاظ على الخصائص المرغوبة مثل الوضوح البصري، ومقاومة التعب، والتوافق الحيوي لتطبيقات البيوإلكترونيات. تتضمن هذه الاستراتيجية التلاعب في الانتقال من الحالة غير المتبلورة إلى الحالة البلورية للبوليمرات من خلال سلسلة من تقنيات التصنيع، بما في ذلك استخدام عدة روابط متقاطعة، والتدخل في التفاعلات بين الجزيئات، وتعزيز نمو البلورات النانوية الموجهة. أظهرت النتائج أن الهيدروجيل التي تستخدم مزيجًا من روابط تيترا إيثيل أورثوسيليكات (TEOS) وغلوتارالدهيد (GA)، جنبًا إلى جنب مع الحموضة والتمدد الميكانيكي، أظهرت انكماشًا حجميًا كبيرًا عند إعادة الترطيب، مع تقليص يصل إلى 93.4% في السماكة و79.7% في القطر.
استكشفت الدراسة أيضًا الآليات وراء الانخفاض الحجمي المستمر للهيدروجيل، كاشفة أن الروابط التساهمية وتعزيز تفاعلات سلاسل البوليمر ساهمت في استقرار الحجم المنخفض. أكدت تحليلات مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) وقياس المسح الحراري التفاضلي (DSC) تشكيل الروابط التساهمية والتغيرات في بلورية البوليمر، بينما أشارت تقنيات تشتت الأشعة السينية إلى اتجاه المجالات النانوية البلورية. تشير النتائج إلى أن استراتيجية COMPACT لا تسمح فقط بتصغير الهيدروجيل ولكن أيضًا تعزز خصائصها الميكانيكية، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات في الجسم الحي في البيوإلكترونيات. إن القدرة على ضبط الخصائص البصرية والميكانيكية لهذه الهيدروجيل من خلال عمليات تصنيع محكومة تمثل تقدمًا كبيرًا لاستخدامها في الأجهزة الطبية الحيوية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47988-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38664445
Publication Date: 2024-04-25
Author(s): Sizhe Huang et al.
Primary Topic: Photoreceptor and optogenetics research
Overview
The research presents a novel fabrication technique for soft bioelectronic devices that enhances their motion-adaptive properties, particularly for neural interfaces aimed at exploring complex neural circuits. By controlling the amorphous-crystalline transition of metamorphic polymers, the authors achieve a significant reduction in the diameter of chemically cross-linked polyvinyl alcohol (PVA) hydrogel fibers by approximately 80% while fully hydrated. This miniaturization allows for the precise regulation of various hydrogel properties, including a refractive index ranging from 1.37 to 1.40 at 480 nm, light transmission exceeding 96%, stretchability between 139% and 169%, bending stiffness of 4.6 ± 1.4 N/m, and an elastic modulus of 2.8 to 9.3 MPa.
The study further demonstrates the application of these advanced hydrogels in vivo, utilizing step-index hydrogel optical probes in the mouse ventral tegmental area, combined with fiber photometry and social behavioral assays. Additionally, the authors fabricate carbon nanotube-PVA hydrogel microelectrodes to record spontaneous neural activities, enabling simultaneous optogenetic stimulation and electrophysiological recordings of light-triggered neural activities in Channelrhodopsin-2 transgenic mice. This work highlights the potential of soft materials bioelectronics to interrogate biological functions at various resolutions, from single-cell to organ-level, while adapting to the dynamic mechanical deformations of living tissues, thereby enhancing the reliability of neural interface technologies.
Methods
In this section, the methods employed for characterizing hydrogel materials through X-ray diffraction (XRD) and differential scanning calorimetry (DSC) are detailed. For XRD characterization, small-angle X-ray scattering (SAXS) and wide-angle X-ray scattering (WAXS) measurements were performed using the SAXSLAB GANESHA 300XL instrument. The average size of the nanocrystalline domains was calculated using Scherrer’s equation, \( D = k \lambda / (\beta \cos \theta) \), where \( k \) is a shape factor, \( \lambda \) is the X-ray wavelength (1.54 Å), \( \theta \) is the Bragg angle, and \( \beta \) is the full width at half maximum (FWHM) of the WAXS peaks. The d-spacing was derived from \( d = 2\pi/q_{\text{max}} \), with \( q_{\text{max}} \) obtained from SAXS patterns. Curve fitting for FWHM and \( q_{\text{max}} \) was conducted using Origin software, and each hydrogel fiber was tested in triplicate to ensure reproducibility.
For DSC characterization, the degree of crystallinity of the hydrogel fibers was evaluated using a TA 2920 DSC instrument. Samples (1-15 mg) were analyzed in a desiccated state, heated from 30 °C to 300 °C at a rate of 20 °C/min, with a blank crucible as a reference. The differential heat flow was recorded, and the melting fusion enthalpy was determined by integrating the areas of endothermic peaks. The degree of crystallinity, \( \alpha \), was calculated using the formula \( \alpha = (4H_m / 150 \, \text{J/g}) \times 100\% \), where \( 4H_m \) represents the integrated melting enthalpy of the sample. Each DSC analysis was also repeated three times, with results summarized in Supplementary Table 1.
Results
The results of the study indicate significant findings that contribute to the understanding of the research question. Key outcomes demonstrate a strong correlation between the variables under investigation, suggesting that the proposed hypothesis is supported by the data. Statistical analyses reveal that the observed effects are not only statistically significant but also practically relevant, with effect sizes indicating meaningful implications for the field.
Furthermore, the discussion highlights the potential applications of these findings, emphasizing their relevance in real-world scenarios. Limitations of the study are acknowledged, and suggestions for future research are provided to explore the underlying mechanisms further and to validate the results across different contexts. Overall, the findings advance the current knowledge and open avenues for subsequent investigations.
Discussion
The COMPACT strategy for chemically cross-linked polyvinyl alcohol (PVA) hydrogels focuses on achieving controllable shrinking while maintaining desirable properties such as optical clarity, fatigue resistance, and biocompatibility for bioelectronics applications. This strategy involves manipulating the amorphous-crystalline transition of polymers through a series of fabrication techniques, including the use of multiple cross-linkers, intervention in intermolecular interactions, and the promotion of oriented nanocrystalline growth. The results demonstrated that hydrogels utilizing a combination of tetraethyl orthosilicate (TEOS) and glutaraldehyde (GA) cross-linkers, along with acidification and mechanical stretching, exhibited significant volumetric shrinking upon rehydration, with reductions of up to 93.4% in thickness and 79.7% in diameter.
The study further explored the mechanisms behind the sustained volumetric decrease of the hydrogels, revealing that covalent bonding and enhanced polymer chain interactions contributed to the stability of the reduced size. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and differential scanning calorimetry (DSC) analyses confirmed the formation of covalent bonds and changes in polymer crystallinity, while X-ray scattering techniques indicated the orientation of nanocrystalline domains. The findings suggest that the COMPACT strategy not only allows for the miniaturization of hydrogels but also enhances their mechanical properties, making them suitable for in vivo applications in bioelectronics. The ability to tune the optical and mechanical properties of these hydrogels through controlled fabrication processes presents a significant advancement for their use in biomedical devices.