本文亮点

1.本研究受蚯蚓启发开发了NeuroWorm软微纤维传感器，实现了超过60个电极通道的集成和94%的拉伸率，能够在大鼠肌肉中稳定工作43周以上且纤维化包裹极少。

2.该设备可在磁场控制下于脑组织和肌肉中主动移动，实现多靶点动态监测，同时采集生物电和机械应变信号，为长期植入式生物电子学提供了新一代平台。

图文解析

图1. NeuroWorm的设计、制造策略和演示

图1展示了NeuroWorm的设计理念、制造过程和功能演示，其灵感来源于蚯蚓的分节结构和运动能力。研究人员通过卷曲工艺将二维生物电子器件转化为一维纤维结构，形成了一种多功能微纤维，其中纵向分布的电极阵列可同时用于生物电和生物力学监测。典型的制备微纤维包含60个生物电位电极沿其长度纵向分布，扫描电子显微镜图像显示其截面结构均匀，实验独立重复十次结果一致。在急性实验中，单根60通道纤维传感器成功同时记录了复合肌肉动作电位信号，表现出良好的信号采集能力。在兔脑皮层下区域的演示中，NeuroWorm能够在磁场控制下主动移动，X射线图像显示纤维传感器沿肌肉移动类似蚯蚓运动，表明其具有在组织中可控移动的能力。这些演示证明了NeuroWorm作为一种新型植入式传感器的可行性和多功能性。

图2. NeuroWorm的性能特征

图2详细展示了NeuroWorm的物理和电学特性，包括拉伸性、耐久性和阻抗性能。整个纤维传感器系统在拉伸测试中保持导电性直至94%的应变，扫描电子显微镜图像显示在拉伸状态下检测点的金薄膜出现不连续信号波动。在施加30%拉伸应变的1000次循环后，NeuroWorm仍保持低电阻，表明其具有优异的耐久性能。当纤维拉伸30%时，电极阻抗略有增加，这是由于电极电阻升高所致，但变化幅度较小不影响使用。研究人员还开发了液态金属版本的NeuroWorm，其拉伸性和导电稳定性得到进一步提升，可承受高达300%的应变。纤维中由两个L形通道形成的面内电容器随NeuroWorm的拉伸而变形，使其能够作为可拉伸电容应变传感器同时监测组织变形，在40%应变范围内表现出0.96的 gauge factor和优异的线性度。此外紫外线消毒后纤维阻抗没有明显变化，证明了其在消毒过程中的可靠性和稳定性。

图3. NeuroWorm在磁场控制下对大脑和皮下筋膜的动态探查

图3展示了NeuroWorm在磁场控制下对大脑和皮下筋膜的动态探查能力。在兔脑实验中，NeuroWorm通过5毫米直径的颅骨开口在皮层表面导航，数字减影血管造影图像捕捉到了在脑脊液中磁控移动的过程。同时研究人员成功从各个通道记录了高质量的皮层脑电图信号，不同通道间的电生理差异主要来自区域解剖和功能区别。在皮层下区域，NeuroWorm能够移动到兔脑皮质内的不同位置记录局部场电位信号，展示了其在脑组织中的精确定位能力。在大鼠皮下筋膜实验中，植入第一天和第七天的X射线图像显示十通道NeuroWorm能够有效地在肌肉和筋膜之间移动，同时从不同位置的纵向分布电极区分电磁能量信号。这些结果表明NeuroWorm具有主动运动能力，能够实现多靶点的动态信号监测。

图4. 使用NeuroWorm系统在外周肌肉中长期植入监测电生理和机械信号

图4展示了使用NeuroWorm系统在外周肌肉中进行长期植入监测电生理和机械信号的性能。系统设计将NeuroWorm植入大鼠后肢肌肉，软硬接口通过皮下路由到颅骨连接器，使大鼠能够自由行走并通过插入公连接器记录信号。同时从胫骨前肌和腓肠肌两个肌肉部位记录到不同的肌内肌电信号，确认了纤维传感器同时从不同肌肉获取肌电信息的能力。当大鼠腿部处于不同角度时，NeuroWorm随肌肉拉伸成功捕捉机械应变。植入10天后步态分析显示NeuroWorm植入腿与对侧未植入腿之间站立时间和摆动速度没有显著差异，表明植入不影响大鼠正常步态。纵向比较显示在43周植入期间NeuroWorm的信噪比优于二维薄膜电极和不锈钢丝电极，54周后组织学分析显示NeuroWorm周围的成纤维细胞包裹非常薄（小于23微米）且无炎症迹象，而不锈钢丝电极周围的纤维化组织厚度超过451微米。免疫荧光分析进一步显示NeuroWorm周围的CD68+巨噬细胞和TUNEL染色荧光强度较低，表明其引起免疫反应和细胞凋亡的可能性较小。

总结与展望

本研究成功开发了NeuroWorm这一可移动、可植入的多模态纤维平台，实现了长期体内生物接口监测的新突破。该设备集成了超过60个离散电极通道和电容式可拉伸应变传感器，能够在大鼠体内进行43周以上的生物电和机械信号监测，其可移动性使其能够靶向监测特定脑区和肌肉区域，与传统临床常用纤维相比具有更优的性能且对周围组织影响极小。这一研究成果为开发新一代主动式和智能生物电子设备奠定了基础，推动了生物电子学从固定探头向主动、智能和活体设备的转变。

目前研究中采用了开环磁控策略控制纤维运动，其在速度和位置精度方面存在限制，在 obscured 区域导航需要成像引导，而且永磁体存在快速场衰减问题，影响了不同组织深度下的控制一致性。未来工作将重点开发能够产生高强度、动态可调磁场的大规模电磁线圈阵列，该平台将支持更小型化的磁针，并通过多线圈电流调制实现推进和转向的实时解耦控制。通过闭环运动学控制，NeuroWorm有望在复杂的、无路径的组织中实现精确和安全导航，为临床应用提供更加可靠和高效的技术支持。这一技术的发展将为神经系统疾病的诊断和治疗带来新的机遇，推动个性化医疗和精准医学的进步。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09344-w