在科幻电影《阿凡达》中,脑-机接口技术允许人类通过思维控制其外星化身,实现与潘多拉星球生物的直接联系。这种技术通过解码神经信号,使得意念操控成为可能。虽然现实中的脑-机接口还未如此先进,但它在医疗和科技领域的应用正逐步将这种科幻变为现实。例如,国际上,埃隆·马斯克领导的Neuralink公司在脑-机接口领域成功完成了至少两例人体植入手术。这些手术使得患者能够通过意念控制光标、玩电子游戏等,显著提高了他们的自主能力;国内,清华大学和宣武医院团队成功进行了首例无线微创脑-机接口临床试验,该系统实现了高位截瘫患者利用脑电活动控制外部设备,如气动手套,以实现自主喝水等功能。
近日,东华大学生物质材料成型与加工课题组、上海市第六人民医院神经外科团队在《Adv. Mater.》上发表了题为“Flexible Neural Interface from Non-transient Silk Fibroin with Outstanding Conformality, Biocompatibility and Bioelectric Conductivity”的研究论文。该研究报道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,并以此制得了具有优异共形性、耐久性的非瞬态SF柔性神经接口;进一步地,通过癫痫大鼠皮质脑电(ECoG)信号采集实验对SF柔性神经接口的生物功能进行了验证(图1)。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,此外,所报道“热温辅助图案转移技术”在指导其它SF基可植入电子器件的设计中具有一定普适性。
东华大学纤维材料改性国家重点实验室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一作,东华大学张耀鹏研究员、姚响副研究员和上海六院陈浩副主任医师为论文共同通讯。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。
图1. 研究思路技术概要图
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,东华大学研究人员基于甲酸-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电极通道的非瞬态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”。
图3. 具有优异曲面共形性的SF柔性神经接口
图4. 非瞬态SF柔性神经接口功能验证
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低信噪比。此外,SF神经接口可用于鉴别癫痫状态下大鼠的各类脑电波,研究人员发现,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,而非过去认为的长时段处于发作期。
(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。
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。
文章信息:Adv. Mater. 2024. 10.1002/adma.202410007