传递到皮肤上的神经电信号往往会衰减到非常微弱的水平，极易受到环境和身体运动的干扰。同时，为全面了解认知神经传导，需要对神经信号进行多模态感知，如磁共振成像（MRI）和功能近红外光谱（fNIRS）等。然而传统金属、导电聚合物电极既不能提供共形贴肤特性以精确传感神经电信号，也不能在光、磁情况下进行多模态成像。

近日，澳门永利唯一官网304刘楠课题组报道了一种约20 nm厚的MXene薄膜，能够检测电生理信号且与MRI和fNIRS兼容。该薄膜由聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）交联MXene制成，具有高电导率和透明度（11000 S/cm @ 89%）。其中，PEDOT:PSS不仅起到交联稳定MXene薄膜的作用，而且缩短了层间距离，实现了有效的电荷转移和高透明度。因此，它可以实现与皮肤或神经表面的低界面阻抗，以准确记录电生理信号（图1）。

图1. 超薄薄膜设计示意及相关性能

通过聚焦离子束刻蚀-高分辨透射电子显微镜（FIB-HRTEM）以及掠入射广角X射线散射（GIWAXS）等多种实验手段证明PEDOT:PSS交联前后的MXene层间距离及排列变化。为进一步理解层间交联的机制，还通过密度泛函理论（DFT）计算，深入研究了MXene与PEDOT:PSS的相互作用机理（图2）。

图2. 相关结构分析及理论计算

得益于超薄的厚度（~20 nm），该薄膜可以很容易地转移到不同的纹理表面贴附，从而促进界面粘附/稳定。这种超共形特性加之优异的导电性和赝电容优势，使得MXene薄膜与皮肤之间的电子-离子传导得以显著提升。该薄膜还具有与MRI、fNIRS良好的兼容性，可以实现多模态认知神经监测（如图3所示）。

图3. 多模态认知监测方面的应用

该论文的第一作者为宋德魁博士。该研究得到了韩国延世大学Kwanpyo Kim教授团队在FIB-HRTEM方面的大力支持，美国斯坦福大学Hongping Yan博士和Song Zhang博士在GIWAXS方面的帮助以及澳门永利唯一官网304认知神经科学与学习国家重点实验室卢春明教授课题组在fNIRS及多模态认知神经监测方面的支持与帮助。该研究还获得了国家自然科学基金委的资助。

论文链接：

An Ultra-thin MXene Film for Multimodal Sensing of Neuroelectrical Signals with Artifacts Removal, Adv. Mater. 2023, 202304956.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202304956