景行
一、【科学背景】
在科研与临床领域，对具备多模态传感和刺激功能的生物电子纤维需求日益增长，但现有纤维存在高刚性、组件布局精度低、功能有限及活性组件密度低的问题，这源于将大量组件集成到一维纤维器件的挑战，尤其是传统微加工方法（如光刻）与弯曲、细长的纤维结构不兼容，导致相关应用进展受限。一维生物医学器件（如手术缝合线、活检针、电子纤维等）因结构紧凑、能穿越曲折路径、可通过微创方式深入组织且术后易取出，相比二维薄膜和三维系统更具优势，已在临床应用数十年，其中电子纤维虽借助材料与技术进步获得传感、组织调控等新功能，却仍受限于制造难题。传统微加工技术适配平面基材，难以满足纤维的高密度、多功能与组件精准定位需求。虽有纤维纺丝、热拉伸等方法被尝试，如热拉伸可集成数十个通道，但活性区域多在纤维尖端且材料选择受限，多层制造与先进硅加工技术也存在流程复杂、局限于平面刚性基材等问题，进一步制约了电子纤维的发展。
二、【创新成果】
近日，斯坦福大学鲍哲南教授和James C. Y. Dunn等人提出“螺旋转化”技术，将含微加工器件（如激光诱导石墨烯传感器、电刺激电极等）的二维弹性薄膜卷制成名为螺旋神经弦（Spiral-NeuroString，S-NeuroString）的一维高密度柔性生物电子纤维，解决了传统生物电子纤维高刚性、组件密度低、功能有限及传统微加工技术与纤维结构不兼容的问题；该纤维可精准控制功能组件的纵向、径向和角度位置，最高能在230 μm直径内集成1280个通道，模量达1.2-81 MPa且生物相容性良好（猪、大鼠体内植入后组织无炎症与损伤），还可集成光导纤维、中空通道实现多模态功能；团队通过实验验证其应用价值：在胃肠道场景中，可微创植入清醒猪小肠连续多日监测肠道运动节律与术后恢复，通过电刺激激活或抑制肠道活动；在脑科学场景中，能在小鼠海马区实现长达4个月的稳定单细胞电记录，还可结合光导纤维进行光遗传调控，为微创植入式电子器件在临床与科研领域提供了重要平台。
图1（a）示意图展示含微图案化组件的二维薄膜向一维纤维的转化过程。（b，c）一张展示二维薄膜器件面密度在“二维向一维转化”前后变化的照片。（d）一张S-NeuroString（含69个电化学传感器）的照片。（e）展示该生物电子纤维柔软性与柔韧性的照片。© 2025 Springer Nature
S-NeuroString的三步核心制造流程：第一步是在二维弹性薄膜上完成微加工组件（如传感器、电极）的制备；第二步是通过“螺旋转化”技术将平面薄膜卷制成一维管状纤维；第三步是对纤维进行层间紧密键合处理，确保结构完整性与稳定性，这一流程是实现“高精度组件集成与柔性纤维形态结合”的关键基础。二维薄膜向一维纤维转化后实现组件密度的飞跃：转化前，二维薄膜的组件密度为“150个组件/30 mm宽度”；转化后，形成的一维纤维密度变为“150个组件/0.25 mm宽度”，相当于组件分布宽度缩小120倍，直接验证了“螺旋转化”技术对组件密度的显著提升效果，解决了传统纤维组件密度低的核心痛点。
图2（a）展示二维薄膜与对应一维纤维尺寸关系的示意图。（b）实测（红色圆圈）与预测的纤维直径随二维薄膜厚度和长度变化的关系图。（c）由不同类型苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)（杨氏模量分别为1.2 MPa、7.7 MPa和50.0 MPa）或不同厚度二维薄膜（对应纤维直径分别为0.18 mm、0.27 mm和0.36 mm）制备的纤维，其弯曲刚度的计算图。（d）展示不同布局设计的二维薄膜及卷曲后对应纤维结构的示意图。（e）可集成到纤维中的先进功能，例如用于光导的光纤芯和用于流体输送的中空纤维芯。© 2025 Springer Nature
图3（a）S-NeuroString植入猪小肠并连接至猪背部无线设备的示意图。（b）S-NeuroString的结构示意图。（c）传感器输出模式示例。（d）清醒猪在数天内的平均峰值强度变化及每10分钟时间段内的峰值数量。（e）检测到的肠道频率代表性示例。（f）由4号传感器获得的、随时间变化的肠道频率检测结果。（g）小肠内主要检测频率的直方图。（h）电刺激后肠道运动“激活”与“抑制”状态的代表性示例。（i）对应h图中三个不同阶段（第一次刺激前、第一次与第二次刺激之间、第二次刺激后）的快速傅里叶变换曲线。（j）不同“激活”与“抑制”实验中肠道活动的变化。© 2025 Springer Nature
图4（a）神经型S-NeuroString的照片（左图）；记录位点位于纤维尖端（右图）。（b）记录位点以四电极组的形式分布。（c）S-NeuroString与现有探针在力学性能和通道密度上的对比。（d）多周内电极阻抗的变化（n=3只小鼠）。单细胞的幅值（e图）、发放率（f图）和信噪比（g图）在16周内保持稳定。（h）植入后1周内自发尖峰活动的瀑布图。（i）单个神经元的尖峰触发平均值（“足迹”）。（j）图中神经元的自相关图。（k）各单细胞的“足迹”（列）在多周内（行）保持一致。（l）t分布随机邻域嵌入（t-SNE）空间中的“足迹”图，显示不同细胞簇之间的清晰分离。（m）k图中各单细胞在多周内的自相关图。尽管2号和3号细胞的单细胞分离效果未持续保持，且1号细胞在第4周活动稀疏，但所有细胞的波形仍保持一致。（n）在海马区检测到的SWRs电极轨迹。（o）一个代表性神经元在尖波涟漪（sharp wave ripples，SWRs）事件期间发放率升高的示例。（p）不同神经元在低强度（左图）和高强度（右图）光遗传抑制下，按深度排序的刺激时程直方图。（q）靠近纤维尖端的神经元表现出显著的抑制反应，而距离较远的神经元无统计学显著反应。 © 2025 Springer Nature
在胃肠道应用场景中，S-NeuroString有效解决了传统胃肠道监测技术直径大、刚性高、功能单一的痛点。其纤细尺寸（300-350 μm直径）与低模量（约5 MPa）可微创适配小鼠结肠（直径约2 mm）、猪小肠（直径约1.7 cm）等狭小动态环境，且植入后不干扰肠道蠕动；同时集成压力、5-羟色胺、pH传感及电刺激功能，能在麻醉猪小肠中记录自然蠕动信号、检测神经递质变化，还可在清醒自由活动猪体内连续多天数监测肠道昼夜节律（正午活动峰值、午夜谷值）与术后恢复进程，通过电刺激实现肠道活动的激活（18%试验）或抑制（12%试验），长期植入后组织无炎症与损伤，生物相容性优异。
在脑科学应用场景中，S-NeuroString突破了传统脑探头刚性高致组织损伤、柔性探头难长期单细胞记录的局限。其经双层封装优化，在小鼠海马区植入后可稳定记录单细胞电活动长达4个月，电极阻抗、信号幅值与信噪比保持稳定；通过在纤维核心集成光导纤维，还能结合光遗传技术，选择性抑制小鼠前额叶皮层特定区域神经元活动（仅纤维尖端800 μm内有效），2个月植入后脑组织异物反应轻微，为长期脑功能研究提供了高稳定性、多模态的工具。
该研究实现了一种一维高密度柔性生物电子纤维，以“High-density soft bioelectronic fibres for multimodal sensing and stimulation”为题发表在国际顶级期刊Nature上，引起了相关领域研究人员热议。
三、【科学启迪】
综上所述，该工作提出“螺旋转化”创新技术，成功将含微加工功能组件的二维弹性薄膜转化为一维高密度柔性生物电子纤维S-NeuroString，有效解决了传统生物电子纤维高刚性、组件密度低、功能有限及传统微加工技术与纤维结构不兼容的核心问题。S-NeuroString具备组件密度高（最高230 μm直径内集成1280个通道）、柔性可控（模量1.2-81 MPa）、多模态功能集成（可融合传感、刺激、光导、流体输送）及优异生物相容性（猪、大鼠体内植入后组织无炎症与损伤）的优势，且在胃肠道术后监测（清醒猪小肠连续多日运动节律记录与精准电刺激调控）和脑科学研究（小鼠海马区长达4个月的单细胞电记录与光遗传调控）中验证了实用价值，为微创植入式电子器件发展奠定关键基础。
未来，该技术可进一步拓展功能边界，如集成更多神经递质传感、温度传感等组件以满足更复杂生理监测需求；在临床转化层面，可针对儿童胃肠道疾病监测、帕金森病等神经疾病的深部脑刺激治疗推进研发，优化微型化数据采集系统以提升临床适用性；同时，还可探索其在智能织物、软机器人等非植入领域的应用，并通过优化制造流程提升量产效率，推动该柔性生物电子平台在科研与临床场景的广泛落地。
原文详情：Khatib, M., Zhao, E.T., Wei, S. et al. High-density soft bioelectronic fibres for multimodal sensing and stimulation. Nature 645, 656–664 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09481-2
本文由景行撰稿
