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西南交大魯雄/謝超鳴團(tuán)隊(duì)Matter:仿貽貝超軟導(dǎo)電粘附水凝膠用于腦機(jī)接口
2022-02-03  來源:高分子科技

  腦機(jī)接口(Brain-Machine Interface,BMI)為大腦和外界人造器械建立了直接溝通的橋梁,在神經(jīng)性疾病的診斷和治療方面具有重大意義。傳統(tǒng)的BMI通常利用由金屬或陶瓷制成的固體電極,這類電極是剛性且干燥的,無法與柔軟的腦組織相貼合。為了解決該問題,已有研究者采用低模量塑料或彈性體制作柔性神經(jīng)探針,以期達(dá)到縮小腦組織和植入電子器械間的機(jī)械性能差異。然而塑料和彈性體的力學(xué)柔韌性無法完全適用于柔軟的腦組織表面。力學(xué)不匹配將導(dǎo)致記錄的信號(hào)具有不準(zhǔn)確性,進(jìn)而升高誤診的風(fēng)險(xiǎn),甚至在BMI長期植入時(shí)發(fā)生慢性異體排斥反應(yīng)(Foreign body response,F(xiàn)BR)。


  針對(duì)以上問題,近日,西南交通大學(xué)魯雄教授、謝超鳴副教授團(tuán)隊(duì)、電子科技大學(xué)潘泰松副教授、中國海洋大學(xué)韓璐教授和北京基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所江小霞副研究員,通過分子設(shè)計(jì),在卡拉膠-聚多巴胺-聚丙烯酰胺互穿水凝膠網(wǎng)絡(luò)中引入雙鍵化多巴胺限域聚合的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)納米顆粒(dPEDOT NPs),制備得到仿貽貝導(dǎo)電超軟水凝膠。該dPEDOT NPs能夠與高分子網(wǎng)絡(luò)發(fā)生多重物理化學(xué)作用,賦予了水凝膠超軟的力學(xué)性能;且其在水凝膠網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)筑了一種氧化還原系統(tǒng),從而賦予水凝膠良好的生物粘附性和免疫逃逸能力(圖1A和B)。該水凝膠可直接在微電路表面通過自固化實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)印,其反應(yīng)過程溫和,不損壞微電路的完整性。最終集成水凝膠基柔性超軟BMI(圖1C)。該水凝基BMI與傳統(tǒng)的BMI相比,具有以下優(yōu)異性能:1)與天然腦組織同等水平的超軟模量,避免因機(jī)械不匹配性造成的FBR(圖1D);2)良好的組織粘附性,可以與大腦皮層無縫貼合,從而減輕腦組織與BMI之間因錯(cuò)位、摩擦而導(dǎo)致的FBR(圖1Bii和1E);3)免疫逃逸能力,能夠主動(dòng)降低神經(jīng)炎癥、抑制瘢痕組織再生(圖1F)。


圖1納米顆粒的設(shè)計(jì)及水凝膠基腦機(jī)接口。(A)雙鍵化多巴胺限域聚合而成的親水dPEDOT NP;(B)dPEDOT NP引入卡拉膠(CA)-聚多巴胺(PDA)-聚丙烯酰胺(PAM)水凝膠互穿網(wǎng)絡(luò)中,Bi,dPEDOT NPs與CA-PDA-PAM水凝膠網(wǎng)絡(luò)相互作用的示意圖,Bii,dPEDOT NP 中的動(dòng)態(tài)氧化還原反應(yīng);(C)水凝膠原位轉(zhuǎn)印電路構(gòu)建BMI的示意圖;水凝膠BMI展現(xiàn)出(D)超軟、導(dǎo)電、透明和(E)生物粘附的特性;(F)水凝膠BMI可通過免疫逃逸來減小體內(nèi)免疫排斥反應(yīng)。


  該項(xiàng)研究成果以“Bioadhesive and conductive hydrogel-integrated brain-machine interfaces for conformal and immune-evasive contact with brain tissue”為題在線發(fā)表于Cell的姊妹期刊《Matter》。論文第一作者為西南交通大學(xué)在讀博士研究生王笑和電子科技大學(xué)碩士孫曉彤,通訊作者是西南交通大學(xué)的魯雄教授、謝超鳴副教授團(tuán)隊(duì)、電子科技大學(xué)潘泰松副教授、中國海洋大學(xué)韓璐教授和北京基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所江小霞副研究員。論文第一單位為西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院。該研究得到了廣東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目支持。


  原文鏈接:https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(22)00012-1

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