從免疫排斥到無縫融合：水凝膠神經(jīng)接口的仿生設(shè)計之路

植入式神經(jīng)接口是腦科學(xué)研究的核心變革技術(shù)，如何解決免疫排斥誘發(fā)的生物適配失效問題是該領(lǐng)域的研究重點，其根源在于植入器件與腦組織在尺寸、力學(xué)、拓?fù)浼吧匦陨系慕缑孢m配失衡。近年來，高含水、低模量、生物相容的水凝膠是理想的神經(jīng)界面候選材料，但受限于微加工難度大、電學(xué)性能不足，如何通過分子與結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計，兼顧微納加工能力、高效電荷傳導(dǎo)及長期體內(nèi)穩(wěn)定性，是水凝膠植入式神經(jīng)接口面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

針對于此，中國科學(xué)院蘇州納米所張珽研究員團隊提出熱溶劑輔助的機械約束退火制備策略，突破水凝膠纖維的加工極限，成功開發(fā)出神經(jīng)元尺度的全水凝膠神經(jīng)電極陣列，將水凝膠纖維直徑推進至亞微米級別，同時實現(xiàn)超軟力學(xué)特性與高導(dǎo)電性能的統(tǒng)一，在小鼠大腦中完成了長達6個月的單神經(jīng)元信號穩(wěn)定追蹤。

圖1. 水凝膠電極陣列的設(shè)計思路與多維仿生特性

從仿生角度出發(fā)，設(shè)計出與神經(jīng)元細胞尺寸、力學(xué)、含水及三維拓?fù)涓叨绕ヅ涞娜z電極體系，通過系統(tǒng)對比剛性電極與類神經(jīng)元水凝膠纖維植入后引發(fā)的腦組織異物反應(yīng)差異，明確了尺寸、模量、彎曲剛度等關(guān)鍵參數(shù)對生物相容性的影響，為低免疫神經(jīng)界面的構(gòu)建提供了清晰的設(shè)計依據(jù)。

圖2. 水凝膠纖維的制備與分子構(gòu)象調(diào)控

通過優(yōu)化濕紡工藝并協(xié)同調(diào)控拉伸與退火過程，成功將 PEDOT:PSS 水凝膠纖維直徑精準(zhǔn)調(diào)控至 0.94-20 μm的神經(jīng)元尺度，達到當(dāng)前一維水凝膠加工的極限水平。在此過程中實現(xiàn)PEDOT與PSS雙分子構(gòu)象的精準(zhǔn)調(diào)控，形成線性相分離結(jié)構(gòu)，顯著提升分子取向度、結(jié)晶尺寸并縮小π-π堆積距離，從分子層面建立起高效穩(wěn)定的離子-電子傳導(dǎo)通路，為高性能神經(jīng)記錄奠定基礎(chǔ)。得益于精細的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計，水凝膠纖維呈現(xiàn)出差異可調(diào)的干/濕態(tài)機械特征，既滿足植入所需的結(jié)構(gòu)強度，又具備與腦組織高度適配的超軟特性，其極低的彎曲剛度可大幅緩解電極與神經(jīng)組織界面的應(yīng)力集中。有限元模擬與體外動態(tài)實驗證實，該水凝膠電極能夠隨組織形變實現(xiàn)共形貼合，幾乎不產(chǎn)生剪切損傷，展現(xiàn)出優(yōu)異的動態(tài)軟組織適配能力。此外，在電學(xué)性能方面，水凝膠在生理環(huán)境中可長期保持高導(dǎo)電穩(wěn)定性，擁有超高的電荷存儲容量與電荷注入容量，在數(shù)萬次電化學(xué)循環(huán)后性能衰減微弱，可同時勝任高質(zhì)量神經(jīng)信號記錄與安全神經(jīng)調(diào)控的雙重功能。

圖3. 水凝膠纖維電極的手術(shù)植入與電生理記錄分析

以微創(chuàng)手術(shù)將16通道全水凝膠電極陣列植入小鼠運動皮層，術(shù)后超聲成像顯示電極狀態(tài)穩(wěn)定，能夠在靜息、麻醉、覺醒與劇烈運動等多種行為狀態(tài)下，清晰采集高信噪比的單神經(jīng)元鋒電位，并精準(zhǔn)解析神經(jīng)元放電頻率、功率譜密度及峰間間隔分布，完整反映大腦在不同行為模式下的神經(jīng)活動規(guī)律。長期在體實驗結(jié)果表明，該全水凝膠電極陣列植入16周后未引發(fā)明顯的膠質(zhì)增生與免疫炎癥反應(yīng)，周圍神經(jīng)元分布正常，展現(xiàn)出極致的生物相容性。在連續(xù)6個月的單神經(jīng)元追蹤中，電極記錄的信號波形高度穩(wěn)定，信噪比維持在理想水平，通道阻抗波動微弱，成功實現(xiàn)了無免疫干擾、高保真、超長期的慢性神經(jīng)活動記錄，為下一代植入式神經(jīng)界面提供了全新范式。

圖4. 水凝膠纖維電極的免疫反應(yīng)及長期在體使用性能

該工作聚焦高生物相容性水凝膠神經(jīng)界面的開發(fā)與優(yōu)化，為突破水凝膠電極器件在微納加工、電學(xué)性能及體內(nèi)長期穩(wěn)定性方面的技術(shù)瓶頸，提供了創(chuàng)新思路與可行方案。

來源：中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所官網(wǎng)

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