时至今日，越来越多的人体植入式医疗器械走进人们的生活，如深部脑刺激器、心脏起搏器、植入式胰岛素泵等，对帮助人类身体功能恢复起到巨大作用，但随之而来的却是器械寿命短暂，难以长期运行的困扰。
一般情况下，植入人体的医疗器械可能会引起周围组织的免疫反应，从而产生炎症，导致该设备性能下降，运行时间大为缩短，甚至需要额外更换设备。
为应对这一挑战，韩国科学技术研究院（KIST）宣布开展联合研究工作，并开发出一种可用于植入人体的医疗器械的涂层技术。该技术能够最大限度地减少植入过程中的组织损伤并抑制炎症反应。此外，经涂层润滑后医疗器械的使用寿命可达现有设备的四倍之多。
图 | 相关论文（来源：Advanced Science）
相关研究成果以论文形式发表在Advanced Science，该论文以《用于急性插入创伤最小化和长期信号记录的润滑非免疫原性神经探针》（A Lubricated Nonimmunogenic Neural Probe for Acute Insertion Trauma Minimization and Long-Term Signal Recording）为题，由延世大学电气与电子工程学院博士李延泽（Il-Joo Cho）担任第一作者。
植入式医疗器械“短寿”问题引发忧虑
近年来，随着科学技术的进步，人类开发了多种人体植入式医疗器械，并已广泛应用于临床领域。
其中，脑机接口（BMI）由于有望通过长时间双向翻译神经信息来治疗神经系统疾病，已成为植入式医疗器械中的典型代表，比如用于治疗帕金森病和其他脑部疾病的深部脑刺激器等。
但令人忧虑的是，当深部脑刺激器或芯片被植入大脑时，由于小胶质细胞等脑免疫细胞的作用，设备通常难以稳定运行，使用寿命往往很难达到预期。
（来源：Advanced Science）
据了解，将脑组织和植入设备之间的接口无缝集成以长期记录和控制神经元至关重要。近几十年来，已有许多不同形状的神经探针被用于与脑组织的牢固整合，以稳定地记录来自神经元的神经信号。
然而，用于临床BMI的植入探针尚未被广泛采用，主要原因便在于探针会和组织界面产生生物炎症反应。
该类炎症一般是由急性插入创伤和慢性异物反应引起的。急性插入创伤不仅会导致急性神经损失的增加，而且会加速植入探针周围神经胶质鞘的初始形成。此外，由于异物反应，胶质鞘厚度逐渐增加，最终会将神经元从电极上驱离，导致信号记录中断。
因此，如何减少植入过程中的组织损伤并抑制炎症反应，延长设备寿命，成为推动植入式医疗器械发展的关键因素。
新技术将神经探针寿命提升四倍以上
基于食肉植物猪笼草光滑叶子的灵感，该研究团队开发了一种形成抗生物污垢涂层的方法。通常设备植入人体时会产生摩擦，而该技术可在植入设备表面形成薄而均匀的润滑油涂层，并通过减少设备与组织之间的摩擦来使组织损伤最小化。
图 | 猪笼草（来源：Pixabay）
此外，涂层装置表现出抗生物粘附特性，即防止由免疫排斥反应激活的免疫细胞粘附到装置表面。
不过，当时并没有研究数据表明该涂层可以应用于电子设备而不影响它们的信号记录性能以及它如何在体内相互作用。
为了验证该涂层技术的临床可能性，研究团队开发了一种带有32个电极的润滑剂涂层神经探针，用于测量大脑信号。最终，对脑组织的观察证实，该技术能够有效降低人体免疫反应，且植入过程中通常发生的组织损伤被最小化。
图 | 与裸探针相比，涂层探针的免疫反应降至最低的机制示意图（来源：Advanced Science）
实验过程中，该团队将探针涂层后植入啮齿动物的大脑中，发现超过90%的电极可以观察到脑信号，而且信号数量是未涂层神经探针获得的信号数量的两倍。
此外，由于免疫细胞粘附在探针表面，未涂层探针的信号幅度会随着时间的推移而降低。相比之下，涂层探针表现出良好的抗生物粘附特性，可以稳定地测量大脑信号，神经探针的使用寿命也从8周延长至16周。
“这种涂层探针显示出了近乎无摩擦和抗生物污染的特性，能够最大限度地提高其在体内的电极性能，不仅可以应用于大脑，还可以应用于身体的其他部位。对于植入式设备来说，该技术可以显著延长此类设备的使用寿命。”李延泽表示。
该技术由韩国脑科学研究组和延世大学研究团队联合研发而成，得到了KIST的大力支持。值得一提的是，作为韩国第一个政府资助的多学科研究机构，KIST制定了以科学技术为基础的国家发展战略，并传播了各种重要的工业技术。
李延泽表示，未来，该技术将为人体植入式医疗器械在临床医疗中的实际使用提供更多机会，并有望通过显著延长更换周期来加快其商业化进程。
