Dual-Conductive and Stiffness-Morphing Microneedle Patch Enables Continuous In Planta Monitoring of Electrophysiological Signal and Ion Fluctuation

材料科学 导电体 生物医学工程 电生理学 纳米技术 电极 电解质 复合材料 医学 化学 物理化学 内科学
作者
Lingxuan Kong,Hanqi Wen,Yifei Luo,Xiaodong Chen,Xing Sheng,Yuxin Liu,Peng Chen
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (37): 43515-43523
标识
DOI:10.1021/acsami.3c08783
摘要

The use of conductive microneedles presents a promising solution for achieving high-fidelity electrophysiological recordings with minimal impact on the interfaced tissue. However, a conventional metal-based microneedle suffers from high electrochemical impedance and mechanical mismatch. In this paper, we report a dual-conductive (i.e., both ionic and electronic conductive) and stiffness-morphing microneedle patch (DSMNP) for high-fidelity electrophysiological recordings with reduced tissue damage. The polymeric network of the DSMNP facilitates electrolyte absorption and therefore allows the transition of stiffness from 6.82 to 0.5139 N m–1. Furthermore, the nanoporous conductive polymer increases the specific electrochemical surface area after tissue penetration, resulting in an ultralow specific impedance of 893.13 Ω mm2 at 100 Hz. DSMNPs detect variation potential and action potential in real time and cation fluctuations in plants in response to environmental stimuli. After swelling, DSMNPs mechanically “lock” into biological tissues and prevent motion artifact by providing a stable interface. These results demonstrate the potential of DSMNPs for various applications in the field of plant physiology research and smart agriculture.
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