東華大學(xué)纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張耀鵬教授聯(lián)合上海市第六人民醫(yī)院神經(jīng)外科，基于MicroFab Jetlab 4高精度噴墨打印系統(tǒng)，成功開發(fā)出全球領(lǐng)先的非瞬態(tài)絲素蛋白（SF）柔性神經(jīng)接口。隨著腦機(jī)接口技術(shù)的不斷發(fā)展，實(shí)現(xiàn)用意念操控外部設(shè)備的科幻場景正逐步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，研究成功采集了具有更高精準(zhǔn)度和更低信噪比的大鼠皮質(zhì)腦電（ECoG）信號，為后續(xù)長效腦電監(jiān)控、神經(jīng)疾病病理研究和人機(jī)交互提供了解決方案。

正文
作為腦-機(jī)接口技術(shù)的關(guān)鍵一環(huán)，神經(jīng)接口器件的性能很大程度上決定了所采集電生理信號的質(zhì)量。絲素蛋白（SF）薄膜因其優(yōu)異的柔性、可加工性和較低的免疫原性，被認(rèn)為是構(gòu)建生物質(zhì)柔性神經(jīng)接口器件的理想材料。然而，如何在SF薄膜表面牢固集成圖案化導(dǎo)體材料是一個(gè)挑戰(zhàn)。為了解決這一問題，東華大學(xué)張耀鵬教授團(tuán)隊(duì)將噴墨打印技術(shù)與熱輔助圖案轉(zhuǎn)移相結(jié)合，利用MicroFab Jetlab 4高精度噴墨打印系統(tǒng)成功制備了一種基于絲素蛋白的高效、安全的多通道神經(jīng)接口，如圖1所示。該接口可用于緩解炎癥、記錄大鼠模型中的皮質(zhì)腦電（ECoG）信號，且具有優(yōu)異的組織順應(yīng)性、生物相容性和生物電導(dǎo)率，有望開發(fā)出一種高效和安全的“一體化”神經(jīng)接口。

▲ 圖1 基于SF神經(jīng)接口的研究思路

在研究中，研究人員基于甲酸-氯化鈣體系制得了有更高分子量的SF溶液。甲酸的存在促進(jìn)SF長鏈和PEDOT分子間相互滲透和纏結(jié)（如圖2）。在溫度的輔助下，SF溶液逐漸固化（重結(jié)晶），將已滲透的PEDOT分子牢固鎖合于SF層中，形成SF/PEDOT交織界面。這一加工方法賦予了所得SF/PEDOT材料本征非瞬態(tài)特性，其交織界面極大地保證了PEDOT導(dǎo)電層的高電導(dǎo)率和濕態(tài)環(huán)境下的耐受性，為后續(xù)制備非瞬態(tài)SF神經(jīng)接口奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

▲ 圖2 SF/PEDOT 薄膜的制備

基于熱溫輔助圖案轉(zhuǎn)移技術(shù)，研究人員成功將噴墨打印的PEDOT電極轉(zhuǎn)移至SF柔性襯底，制備了具有6通道電極的非瞬態(tài)SF柔性神經(jīng)接口（圖3）。神經(jīng)接口器件前端采集點(diǎn)尺寸越小，所采得腦電信號越精確。此外，更小的器件尺寸也利于縮小植入創(chuàng)面。與現(xiàn)有SF基神經(jīng)電極/接口材料相比，本研究制備的SF柔性神經(jīng)接口在共形性、水穩(wěn)定性和更小電極尺寸方面具有明顯的優(yōu)勢。

▲ 圖3 基于SF的神經(jīng)接口的制備

本研究還對SF神經(jīng)接口生物功能進(jìn)行了驗(yàn)證（圖4）。使用SF薄膜封裝后的SF神經(jīng)接口成功地在麻醉大鼠腦皮質(zhì)表面采得ECoG信號，且與商用聚酰亞胺基神經(jīng)電極相比，具有更高的精準(zhǔn)度和更高的信噪比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過藥物誘導(dǎo)的大鼠癲癇發(fā)作是間歇性的，并在潛伏期（或靜息）、發(fā)作期和消退階段循環(huán)約半小時(shí)，而非通常認(rèn)為的長時(shí)段處于發(fā)作期。這證實(shí)了非瞬態(tài)SF柔性神經(jīng)接口可鑒別癲癇狀態(tài)下大鼠的各類腦電波。

▲ 圖4 體內(nèi)記錄ECoG信號和癲癇樣活動

針對非瞬態(tài)SF柔性神經(jīng)接口的生物相容性這一關(guān)鍵問題，研究團(tuán)隊(duì)圍繞術(shù)后動物生存狀況、免疫反應(yīng)和血液中炎癥因子含量進(jìn)行了重點(diǎn)考察評估，如圖5所示，以PI貼片（PI膜用作基材，PEDOT：PSS噴墨打印電極）為對照組，相關(guān)結(jié)果表明，SF神經(jīng)接口具有良好的柔性、共形性和低免疫原性，術(shù)后大鼠短期內(nèi)可恢復(fù)正常生理功能、皮質(zhì)表層未見明顯擦傷，且血液中炎癥因子表達(dá)處于較低水平，這將有利于后期臨床應(yīng)用研究。因此，這些長期生物相容性和非瞬時(shí)SF潛在功能化的增強(qiáng)有望開發(fā)出一種高效和安全的“一體化”神經(jīng)接口。

▲ 圖5 體內(nèi)生物相容性和炎癥評估

結(jié)語
基于MicroFab Jetlab 4高精度噴墨打印系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在液體生物環(huán)境下電性增強(qiáng)的穩(wěn)定PEDOT電極與柔性非瞬態(tài)SF薄膜基材的牢固集成，從而制備了具有良好導(dǎo)電性、保形性和生物相容性的SF神經(jīng)接口。該接口可在大鼠模型中高效檢測ECoG信號和癲癇樣活動，并緩解炎癥。隨著制造的進(jìn)一步發(fā)展和優(yōu)化，未來該非瞬態(tài)SF的生物電子設(shè)備有望實(shí)現(xiàn)更多一體化功能的應(yīng)用，如健康監(jiān)測、實(shí)時(shí)藥物輸送以及腦機(jī)接口等生物醫(yī)學(xué)和康復(fù)領(lǐng)域，為長效腦電監(jiān)控、神經(jīng)疾病病理研究和人機(jī)交互提供了解決方案。

參考文獻(xiàn)：
[1] Hu Z, Liang Y, Fan S, et al. Flexible Neural Interface From Non?\Transient Silk Fibroin With Outstanding Conformality, Biocompatibility, and Bioelectric Conductivity[J]. Advanced Materials, 2024, 36(46): 2410007.