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  植入式深腦探針（DBPs）是腦機(jī)接口的核心組件，但其面臨兩大瓶頸：傳統(tǒng)剛性材料（如硅、金屬）與腦組織模量失配引發(fā)免疫排斥，而柔性水凝膠材料因加工工藝限制難以實(shí)現(xiàn)多模態(tài)功能集成。如何開發(fā)兼具力學(xué)相容性與多功能性的新型探針，成為破解神經(jīng)退行性疾病治療難題的關(guān)鍵。

  近日，四川大學(xué)與新加坡國(guó)立大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種水凝膠基多功能復(fù)合探針（HybF），通過濕紡工藝與離子螯合/解螯合技術(shù)，將導(dǎo)電、導(dǎo)光和藥物遞送纖維模塊集成于PLGA基絕緣殼層中，實(shí)現(xiàn)了大鼠深部腦區(qū)的精準(zhǔn)干預(yù)。相關(guān)成果以“Hydrogel-Based Multifunctional Deep Brain Probe for Neural Sensing, Manipulation, and Therapy”為題發(fā)表于ACS Nano（DOI: 10.1021/acsnano.5c03865）。

  1.自適應(yīng)力學(xué)性能的水凝膠纖維設(shè)計(jì)。HybF采用海藻酸鈉/MXene導(dǎo)電水凝膠芯層與PLGA/MgO絕緣外殼的復(fù)合結(jié)構(gòu)，基于多糖和MXene材料的超強(qiáng)親水性實(shí)現(xiàn)HybF的干濕態(tài)剛度切換：干燥態(tài)下HybF的彎曲剛度約1 N/m，滿足植入時(shí)的機(jī)械支撐需求，濕潤(rùn)態(tài)下HybF的彎曲剛度降至0.3 N/m（圖1d），PLGA殼層的kPa級(jí)力學(xué)模量(圖1e)也與腦組織模量相接近（0.1–1 kPa）；上述設(shè)計(jì)解決了傳統(tǒng)深腦探針“植入剛性不足”與“長(zhǎng)期植入力學(xué)失配”的矛盾。

圖1.多功能HybF的設(shè)計(jì)、制造和表征。

  2.HybF導(dǎo)電、導(dǎo)光、導(dǎo)藥的多模態(tài)功能集成及抗癲癇治療的體內(nèi)驗(yàn)證。高分辨電信號(hào)記錄：MXene通過多重氫鍵相互作用與基質(zhì)海藻酸鈉纖維結(jié)合搭建三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)電纖維模塊阻抗低至97 S/m（1 kHz），可捕捉單個(gè)神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢?/span>（圖2j）；光遺傳學(xué)調(diào)控：PEGDA水凝膠光纖模塊透光率超90%（400–900 nm），635 nm光照通過HybF成功誘導(dǎo)hSyn-ChrimsonR轉(zhuǎn)基因大鼠海馬神經(jīng)元放電（圖2i），主成分分析（PCA）清晰區(qū)分光刺激前后的放電模式（圖2k），同時(shí)重復(fù)光照可誘導(dǎo)癲癇樣放電，驗(yàn)證了HybF的神經(jīng)調(diào)控精度（圖2l）；時(shí)空可控藥物遞送: 在KA誘導(dǎo)的慢性癲癇大鼠模型中，中空纖維模塊實(shí)現(xiàn)5-氨基酮戊酸（5-ALA）的局部釋放，聯(lián)合635 nm光照觸發(fā)光動(dòng)力效應(yīng)，在癲癇大鼠模型中使異常放電幅值降低83%（圖3i）,同時(shí)治療區(qū)域僅限光照靶點(diǎn)，未觀察到鄰近腦組織損傷，水迷宮實(shí)驗(yàn)顯示HybF基光動(dòng)力療法后大鼠認(rèn)知功能保留率超90%（圖4a,b）。

圖2. HybF介導(dǎo)的深部腦刺激的功能驗(yàn)證。（深腦電刺激與深腦光刺激）

圖3. HybF介導(dǎo)的深部腦記錄和光動(dòng)力療法治療癲癇。

圖4. HybF植入后的術(shù)后效果和生物相容性評(píng)價(jià)。

  該研究首次實(shí)現(xiàn)水凝膠基深腦探針在深部腦干預(yù)中的多模態(tài)應(yīng)用，其核心優(yōu)勢(shì)包括：基于海藻酸/MXene/PLGA的全降解體系，兼具力學(xué)匹配與功能集成；濕紡工藝支持規(guī)模化生產(chǎn)，HybF直徑（約500 μm）適配現(xiàn)有植入器械；有望為癲癇、帕金森病等疾病提供臨床“診斷-治療-監(jiān)測(cè)”一體化方案。

  文章第一作者為四川大學(xué)博士研究生陳志鴻，通訊作者為新加坡國(guó)立大學(xué)Chwee Teck Lim教授與四川大學(xué)范紅松教授。該研究獲國(guó)家自然科學(xué)基金（32361133548, 52303195）、四川省科技廳項(xiàng)目（2024NSFSC1014）資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c03865