| 柔性脑机神经接口：《先进材料》发表我室张耀鹏团队成果 |
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导 读 随着脑-机接口技术的不断发展，实现用意念操控外部设备的科幻场景正逐步变为现实。近日，东华大学纤维材料改性国家重点实验室联合上海交通大学医学院附属第六人民医院开发了一种可有效调控丝素蛋白（SF）/聚(3,4乙烯二氧噻吩)（PEDOT）分子互穿界面的热温辅助图案转移技术，制得了具有优异共形性、耐久性的非瞬态SF柔性神经接口，成功采集了具有更高精准度和更低信噪比的大鼠皮质脑电（ECoG）信号，且生物相容性良好。这一进展为后续长效脑电监控、神经疾病病理研究和人机交互提供了可能，在其他SF基可植入电子器件的设计中具有一定普适性。 相关研究成果以《具有优异共形性、生物相容性和生物电传导性的非瞬态丝素蛋白基柔性神经接口》（Flexible Neural Interface from Non-transient Silk Fibroin with Outstanding Conformality, Biocompatibility and Bioelectric Conductivity）为题发表在《先进材料》（《Advanced Materials》）上。东华大学纤维材料改性国家重点实验室、材料科学与工程学院博士生胡展翱为第一作者，上海交通大学医学院博士生梁宇晴为共同第一作者，东华大学张耀鹏研究员、姚响副研究员和上海交通大学医学院附属第六人民医院神经外科主任医师陈浩为共同通讯作者。共同作者包括东华大学牛欠欠博士、范苏娜副研究员，硕士生黄启楣、耿敬敬，纽约州立大学石溪分校Benjamin S. Hsiao教授。
正 文 作为脑-机接口技术中的关键一环，神经接口器件的性能很大程度上决定了所采集电生理信号的质量。材料力学刚性过大造成的界面失配，或因生物相容性差引发的胶质瘢痕等，均易对后续神经科学转化研究造成不利影响。SF薄膜材料具有优异的可加工性和较低的免疫原性，长期以来，被认为是构筑生物质柔性神经接口器件的理想材料。然而，传统的基于溴化锂（LiBr）等高浓度盐离子实现的SF纤维溶解体系，因其所得SF分子量低、分子链较短以及水稳定性差等缺陷，难以用于构筑非瞬态（水不溶且适于长期植入）SF基可植入电子器件。通过醇类试剂浸泡或高湿环境退火后处理等，虽可一定程度改善初生SF薄膜的水不溶性，但通常会致使材料刚性增加，不符合可植入电子器件对柔性的需求。此外，在SF薄膜表面牢固集成图案化导体材料也备受挑战。 该研究中，研究人员基于甲酸-氯化钙体系制得了有更高分子量的SF溶液，且由于甲酸的存在，促进SF长链和PEDOT分子间相互渗透和缠结（图2）。在温度的辅助下，SF溶液逐渐固化（重结晶），并将已渗透的PEDOT分子牢固锁合于SF层中，形成SF/PEDOT交织界面。这一加工方法促使了所得SF/PEDOT材料本征非瞬态特性，其交织界面极大地保证了PEDOT导电层的高电导率和湿态环境下的耐受性，为后续制备非瞬态SF神经接口奠定了坚实的理论基础。
图2. 基于热温辅助图案转移技术制得的SF/PEDOT薄膜及相关表征 进一步地，基于热温辅助图案转移技术，研究人员成功地将喷墨打印的PEDOT电极转移至SF柔性衬底，并制得了具有6通道电极的非瞬态SF柔性神经接口（图3）。“神经接口器件前端采集点尺寸越小，所采得脑电信号越精确，此外，更小的器件尺寸也利于缩小植入创面”，论文第一作者博士生胡展翱说：“相较于现有SF基神经电极/接口材料，我们制备的SF柔性神经接在共形性、水稳定性和更小电极尺寸方面均具有较为明显的优势”。
该工作还对SF神经接口生物功能进行了验证（图4）。使用SF薄膜封装后的SF神经接口成功地在麻醉大鼠脑皮质表面采得ECoG信号，且具有相比商用聚酰亚胺基神经电极更高的精准度和更高的信噪比。 实验结果表明，通过药物诱导的大鼠癫痫发作是间歇性的，并在潜伏期（或静息）、发作期和消退阶段循环约半小时，而非通常认为的长时段处于发作期。这证实了非瞬态SF柔性神经接口可鉴别癫痫状态下大鼠的各类脑电波。
（视频形式展示SF基神经接口采集实时ECoG数据） 可植入设备的长期生物相容性是张耀鹏研究员团队长期关注重点，通过联合上海六院神经外科合作者，团队对SF神经接口的生物相容性进行了长期评估，重点考察术后动物生存状况、免疫反应和血液中炎症因子含量。相关结果表明，受益于SF神经接口良好的柔性、共形性和低免疫原性，术后大鼠短期内可恢复正常生理功能、皮质表层未见明显擦伤，且血液中炎症因子表达处于较低水平，这将有利于后期临床应用研究。 此工作得到了国家自然科学基金（52173031、52273125）、上海市科委国际合作基金（22520711900）、上海领军人才计划等项目的资助。 课题组简介 生物质材料成型与加工课题组自2021年开始丝素基柔性神经接口的研究，2022年综述了高分子基柔性神经接口的最新进展（Mater. Horiz. 2023, 10, 808-828），并受到《麻省理工科技评论》等媒体的报道（https://www.mittrchina.com/news/detail/11577）；2023年课题组提出“热温辅助图案转移技术”（专利申请号：202310512558.7），成功实现了在丝素柔性衬底上牢固集成导电高分子图案。团队后续将聚焦于发展具有高密度通道的丝素柔性神经接口、脑电信号的无线传输及数据分析。该研究有望为开发新一代神经疾病诊疗技术和脑-机接口技术提供参考。 原文信息 Zhanao Hu, Yuqing Liang, Suna Fan, Qianqian Niu, Jingjing Geng, Qimei Huang, Benjamin S. Hsiao, Hao Chen*, Xiang Yao*, Yaopeng Zhang*. Flexible Neural Interface From Non-Transient Silk Fibroin With Outstanding Conformality, Biocompatibility, and Bioelectric Conductivity. Adv. Mater., 2024. https://doi.org/10.1002/adma.202410007
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