微電極皮層腦電圖（micro-ECoG）憑借卓越的時間和空間分辨率，在精準腦功能映射和神經(jīng)活動解碼中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，由于腦組織的持續(xù)微運動（如呼吸、血流和肢體運動）、植入器件在腦脊液中的漂浮效應(yīng)，以及器件纜線的拉扯，傳統(tǒng)基于物理貼附的集成生物電子的方式由于弱的粘附力在器件植入后不可避免地發(fā)生器件-組織間的相對位移。近年來，粘附性水凝膠作為有效的在組織上集成生物電子方式引起了廣泛的研究，但現(xiàn)有研究多集中于皮膚、心臟等韌性組織。而在脆弱的腦組織上，水凝膠在生理環(huán)境中的尺寸變化可能帶來導(dǎo)致組織與植入器件變形進而因二者模量失配導(dǎo)致界面分離、增強免疫反應(yīng)等挑戰(zhàn)。因此開發(fā)兼具優(yōu)良的不變形和強粘附的水凝膠補片用于構(gòu)建穩(wěn)固的神經(jīng)界面是該領(lǐng)域急需解決的挑戰(zhàn)性工作。
華中科技大學(xué)羅志強教授、中科院深圳先進技術(shù)研究院李驍健研究員、中國科學(xué)院自動化研究所劉冰研究員 等人利用熱敏 性聚醚F127二丙烯酸酯（ F127DA ） 在生理溫度下 鏈段收縮 形成 膠束 及聚磺酸基甜菜堿 （ PSBMA ） 在溶劑置換后鏈段舒展的特性， 提出分子鏈拓撲平衡策略并 開發(fā)了一種不變形水凝膠貼片，實現(xiàn)-4.5%的微小 溶脹率 ，且共聚 生物 粘附功能單體丙烯酸AA實現(xiàn)穩(wěn)固的濕 組織 粘附。通過不變形水凝膠 將 micro-ECoG器件 集成 到 SD大鼠 腦組織上，相比溶脹水凝膠與收縮水凝膠，不變 形 水凝膠可以 有效 降低纖維化水平、減少膠質(zhì)細胞募集，同時實現(xiàn)長期穩(wěn)定的、高保真的捕捉大腦神經(jīng)動力學(xué)。
該研究以 題為 “Robust Neural Interfaces Enabled by Non-Deformable Adhesive Hydrogel Patch for Stable Chronic ECoG Recording” 的論文發(fā)表在《 Advanced Functional Materials 》上。
圖1 利用不變形粘附水凝膠貼片構(gòu)建穩(wěn)固神經(jīng)界面實現(xiàn)長期穩(wěn)定的ECoG記錄a) 網(wǎng)格狀micro- ECoG 器件示意圖。將 M icro-ECoG器件集成至微型化的印刷電路板（PCB）上，該PCB作為電信號傳輸?shù)慕涌?。同時，高性能導(dǎo)電聚合物層（PIN-5NH 2 /PEDOT）被用于修飾micro-ECoG電極以提高電化學(xué)性能。b) 構(gòu)建穩(wěn)固神經(jīng)界面示意圖。采用粘附水凝膠貼片，以解決微型 ECoG 設(shè)備與皮層組織之間的相對位移問題。c) 不變形水凝膠設(shè)計示意圖。傳統(tǒng)水凝膠的膨脹效應(yīng)是由于水分子滲透聚合物網(wǎng)絡(luò)，使其體積膨脹。而熱響應(yīng)性水凝膠的收縮效應(yīng)在溫度超過下臨界溶解溫度（LCST）時，會引發(fā)熱敏材料的膠束化，從而導(dǎo)致聚合物網(wǎng)絡(luò)收縮。通過分子鏈拓撲結(jié)構(gòu)平衡策略，賦予水凝膠具備不變形特性，以解決因水凝膠膨脹或收縮帶來的組織變形、增強炎癥響應(yīng)的挑戰(zhàn)。
圖 2不變形（ FSAP ） 水凝膠的制備與表征。a) FSAP水凝膠貼片的制備示意圖。F127DA作為交聯(lián)劑，提供熱誘導(dǎo)的鏈段收縮，而PSBMA可實現(xiàn)溶劑交換后的分子鏈伸展。二者平衡的分子 鏈 拓撲結(jié)構(gòu)確保了水凝膠的 不變形 特性。AA賦予生物粘附 功能 ，PVB增強疏水相互作用。b) 不同SBMA濃度FSAP水凝膠在5天內(nèi)的溶脹率，表明高濃度SBMA通過鏈伸展作用在溶劑交換 后導(dǎo)致水凝膠網(wǎng)絡(luò)過分伸展而溶脹 。 c) SA、FAP和FSAP水凝膠在不同F(xiàn)127DA濃度下的溶脹率，顯示高濃度F127DA在生理溫度下誘導(dǎo) 水凝膠網(wǎng)絡(luò)過分疏水締合而收縮 。 d) FSAP水凝膠在肌肉、心臟和肝臟組織上的粘附強度 ，表明FSAP水凝膠可以實現(xiàn)穩(wěn)固的濕組織粘附。
圖 3 FSAP水凝膠貼片的 體內(nèi)及體外 生物相容性評估。a) 在標準培養(yǎng)基（對照組）和FSAP水凝膠浸提液中培養(yǎng)1天及5天的PC12細胞活/死染色圖像。b) PC12細胞與 不變形 水凝膠浸提液共培養(yǎng)不同時間點（第1、3、5天）的CCK-8實驗結(jié)果，表明水凝膠 優(yōu)異的細胞相容性 。c) 假手術(shù)組（sham）、 通過溶脹水凝膠 （SD）、收縮 水凝膠 （CD）和 不變形水凝膠 （NDD）的 集成micro-ECoG器件的 腦組織切片Masson染色（i）及免疫熒光染色圖像（ii. DAPI/GFAP，iii. DAPI/IBA-1）。NDD組纖維膜厚度顯著降低且膠質(zhì)細胞募集減少，而SD組和CD組觀察到不同程度組織形變。d) 各組纖維囊厚度的量化分析。e) 相對于假手術(shù)組的GFAP熒光強度。f) 相對于 假手術(shù)組的IBA-1熒光強度 強度 。
圖 4 使用 不變形 水凝膠貼片 集成 micro-ECoG 器件 實現(xiàn)腦組織場電位軌跡的體內(nèi)長期記錄。a) 采用 有 / 無不變形 水凝膠貼片 集成 micro-ECoG 器件， 對SD大鼠 腦皮層 進行一周場電位原始軌跡記錄。 有水凝膠組 相比無 水凝膠組 展現(xiàn)出更穩(wěn)定的信號采集能力。b) 有 / 無不變形 水凝膠貼片 集成 micro-ECoG 器件 一周內(nèi)信噪比變化。 有 水凝膠 組 始終具有更 穩(wěn)定的信噪比 值。c) 有 / 無不變形 水凝膠貼片 集成 micro-ECoG 器件 采集的皮層腦電頻率譜圖。第7天時，無 水凝膠組 已無法記錄 明顯 信號，而 有 水凝膠 組 仍能持續(xù)捕獲高保真 的腦電 信號。
以上相關(guān)成果發(fā)表在 Advanced Functional Materials ( Adv. Funct. Mater. 202 5 , 2422717 )上。論文的第一作者為華中科技大學(xué) 碩士生李文龍與博士生李興 ，通訊作者為華中科技大學(xué) 羅志強教授 ，共同通訊作者為中科院深圳先進技術(shù)研究院 李驍健 研究員與 中國科學(xué)院自動化研究所劉冰研究員 。 該項目得到 國家自然科學(xué)基金 與 國家重點研發(fā)計劃 支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202422717
來源：高分子科技
熱門跟貼