鲍哲南院士，Nature！

研究背景

多模态生物电子纤维是一类新型一维柔性器件，因其能够同时实现多种感测与刺激功能而在神经科学、胃肠动力学监测以及脑电记录等领域具有广泛应用价值。与传统的电子纤维或单功能植入器件相比，多模态生物电子纤维具有高密度、多功能、柔顺性好以及可沿复杂通道导航的优点。然而，现有技术仍存在元件布局精度低、活性元件密度有限、材料选择受限以及微纳米加工与纤维结构兼容性差等问题，从而带来了在高通量、多通道、高精度电子纤维制备方面的挑战。

针对这一挑战，斯坦福大学鲍哲南院士联合James C.Y. Dunn教授在“Nature”期刊上发表了题为“High-density soft bioelectronic fibres for multimodal sensing and stimulation”的最新论文。该团队设计并制备了一种名为螺旋神经丝（Spiral-NeuroString，S-NeuroString）的高密度软电子纤维。其核心思路是先利用微纳米加工技术在二维弹性薄膜上制备感测与刺激元件，再通过“螺旋转化”将二维薄膜转换为一维软纤维，实现纵向、角向和径向上元件的精确定位与高密度分布。所用软热塑性弹性体基底不仅支持层间自发结合，还使卷绕后的电子纤维具备良好的柔顺性和可拉伸性。

利用S-NeuroString，团队在清醒猪的动态胃肠系统中实现了术后连续运动测绘和组织刺激，同时在小鼠大脑中完成了多通道单神经元电信号记录，最长可达四个月。此外，该方法能够在直径仅230微米的纤维上整合高达1,280个通道，显著提升了电子纤维的通道密度和功能集成能力。这一工作不仅突破了传统电子纤维在高密度、多功能集成方面的限制，还为微创可植入电子器件的发展提供了新的平台和技术路径，为神经科学研究、器官动力学监测及脑机接口等领域的应用奠定了基础。

研究亮点

1.实验首次提出并实现了“螺旋转化”方法，将二维微加工薄膜成功转化为一维柔性软电子纤维（Spiral-NeuroString，S-NeuroString），得到了高密度、多模态的软生物电子纤维，同时实现了功能元件在纵向、角向和径向的精确分布。

2.实验通过在柔性热塑性弹性体基底上制备可拉伸电子元件，并利用卷绕转化工艺，将二维传感器和刺激器件整合到单根纤维中，得到了机械柔顺、可缝合、可打结、可弯曲和可拉伸的高密度电子纤维。

3.实验通过在清醒猪的动态胃肠系统中植入S-NeuroString纤维，实现了术后连续运动测绘和组织刺激，验证了软纤维在动态柔软组织中的良好生物相容性与稳定电子性能。

4.实验通过在小鼠大脑中植入软脑探针，实现了多通道单神经元电信号的连续记录，最长可达四个月，证明了该纤维平台在高密度长期神经信号记录方面的可行性。

5.实验通过优化卷绕和微加工工艺，展示了在直径仅230微米的软纤维上整合1,280个功能通道的能力，显著提升了一维电子纤维的功能密度和多模态集成水平，为微创可植入电子器件提供了强大的技术平台。

图文解读

图1：螺旋神经丝的设计和制造

图2：螺旋转化与功能拓展

图3：肠道中的连续监测与刺激

图4：大脑中的单神经元记录

结论展望

本研究描述了一种用于制备高密度软生物电子纤维的策略，以及其在多模态感测与刺激中的独特应用。作者的方法依托于以下优势：在大面积二维薄膜上进行微纳米加工的便利性、可拉伸电子材料的稳健性，以及热塑性弹性体的自粘合特性，从而能够整合大量电子元件，并通过螺旋转化工艺将其卷制成一维纤维。与平面二维器件相比，S-NeuroString在最终器件结构的单位宽度功能元件密度上实现了显著提升。该方法的多功能性体现在能够制备薄型电子纤维，并精确控制器件的角向、径向和纵向位置。

此外，与现有电子纤维相比，S-NeuroString具有更高的柔软性、更多的感测单元、更高的元件密度和更丰富的功能（总结见扩展数据表1）。随着微创手术在医学中日益普及，记录与调控设备的小型化亟需进一步发展。作者的胃肠（GI）S-NeuroString在多个方面优于现有GI感测探针，包括：纤维直径小、分辨率和密度高、兼容传统微纳米加工技术，以及支持多模态功能（扩展数据表2）。这些特性使得作者紧凑的软GI S-NeuroString成为在婴幼儿或小动物模型中进行小通道感测与刺激的有前景候选器件。

此外，依托软电子纤维的独特优势，作者展示了在清醒猪的小肠中连续体内运动监测的可行性，获取了连续、丰富且此前无法获得的信息。作者的体内GI刺激实验强调了闭环感测-刺激在实现理想治疗效果中的重要性。在神经记录方面，S-NeuroString纤维的固有柔软性使其在大型动物和人体的单神经元脑记录中具有潜力（扩展数据表3）。值得注意的是，在脑研究中，S-NeuroString的单神经元记录能力能够与光遗传学光照、神经递质电化学感测以及软集成电路的信号调控协同使用。此外，S-NeuroString为研究清醒动物脑-肠轴的长期研究提供了有价值的工具。尽管本文的各种示范主要集中在体内植入应用，作者描述的方法同样具有在其他多种实际应用中发挥潜力的前景，包括智能织物与纺织品、可穿戴设备以及软体机器人等领域。

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).