东华大学张耀鹏、姚响团队《Mater. Horiz.》：基于生物活性高分子的柔性神经接口

采集和解码神经电生理信号对于神经疾病诊断和病理研究具有重要意义，同时也是人类认识大脑，破解大脑运行机制和认知功能的关键技术。与传统的由影像设备辅助的神经信号检测技术相比，通过神经电极实现的神经接口技术具有更优的时/空分辨率，可对大脑中各种电生理信号进行原位采集和实时监控。然而，当前临床上使用的神经电极大多是基于无机材料的刚性电极，该神经电极的力学性能与神经组织之间存在巨大的差异，且生物相容性欠佳，易造成脑组织损伤和炎症反应。高分子材料及其加工技术的进步为开发新一代柔性神经接口提供了新机遇。其中，兼具良好柔性、生物相容性和加工适应性的活性高分子薄层材料可较好地实现与不规则曲面组织的共形接触（conformal contract），并有效缓解植入物引起的慢性炎症，是构筑长期植入神经接口的理想材料。

图1. 神经接口的发展简史

近日，东华大学纤维材料改性国家重点实验室张耀鹏教授、姚响副教授团队从材料选取、神经接口结构设计和接口集成策略三个方面（图2），系统地总结了生物活性高分子基神经接口的构筑及应用策略相关的前沿研究进展，并对其发展前景及挑战进行了分析。相关成果以题为Bioactive polymer-enabled conformal neural interface and its application strategies发表在Materials Horizons上，东华大学博士生胡展翱为第一作者，东华大学博士后牛欠欠、纽约州立大学石溪分校Benjamin S. Hsiao教授为共同作者，张耀鹏教授和姚响副教授为共同通讯作者。

图2. 制备柔性神经接口的三个核心考虑因素

首先，该综述简要介绍了神经接口发展历程、神经信号采集方法以及神经组织对相关植入物的响应特征，强调了神经接口构筑材料的生物相容性和柔性对维持神经接口在体内持久有效运作的重要性。皮质脑电图（electrocorticogram，ECoG）作为一种兼具较低侵入性和较高信噪比的神经信号采集方法，受到了广泛的研究与关注。本文进一步通过以丝素蛋白（silk fibroin，SF）（图3）、纤维素及其衍生物作为生物高分子材料代表，以聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等作为合成高分子代表，全面分析并总结了上述生物活性高分子基ECoG神经接口的发展及其应用进展。此外，本文还系统地讨论了材料选择、接口结构设计和神经接口集成策略对神经接口综合性能的影响：为缓解神经接口植入引发的慢性炎症，SF、纤维素等生物高分子具有良好的生物相容性、生物可降解/可吸收性和力学柔性，可用于构筑理想的神经接口衬底和封装材料；为进一步提高神经接口与组织间的共形接触和信号采集效率，可通过合理的结构设计，例如剪纸结构和正弦结构等，赋予神经接口优异的可拉伸性，从而更好地适应组织的动态生理运动；同时提供了两种可适用于生物高分子基神经接口集成和封装的策略，以期为更多生物活性高分子基神经接口的开发和优化提供指导意义（图4）。

图3. 从SF到SF基神经接口

图4. 生物活性高分子基柔性神经接口的两种集成/封装策略（a、c）“三明治”结构；（b、d）钝化结构

为实现神经接口在植入后对神经活动的长时间有效监控或施加电刺激，以及扩展其在神经疾病诊断和人机交互等领域的实际运用，本文提出了如下发展前景及挑战：

（1）神经接口的生物相容性需进一步提高。在原料提取和接口制造过程中，需进一步优化相关工艺并建立完善的监管体系，以确保所制备神经接口中不包含有害化学成分，从而避免植入物引起的脑损伤和炎症风险。此外，还可通过表面接枝/改性技术，提高神经接口对目标神经元的亲和性，减少非预期的神经细胞（如神经胶质）在神经接口周围的粘附和增殖。

（2）神经接口界面阻抗、信号转导和长期电稳定性等性能需要进一步提升。例如，组织通过离子传递生物电信号，而金属则通过电子传递电荷。因此，在接口-组织界面上的转导机制是一个离子到电子的转换过程，反之亦然。开发有效的生物活性水凝胶或弹性体，以促进离子-电子信号转导，是开发高效和电性能稳定神经接口的重要方向。

（3）生物活性高分子的柔软性调控值得进一步研究。大多数柔性高分子材料的模量（＜100 kPa）远低于常规无机材料（＞1 GPa），但仍高于真实脑组织的模量（~1 kPa）。使用导电高分子替代传统金属导体，可有效降低神经接口的整体模量，但该类接口所支持的通道数量需要进一步增加。此外，高分子材料在体内的耐久性和植入后的降解情况也需要综合考虑和研究。

此工作得到了国家自然科学基金、上海市优秀学术带头人项目，以及上海市科委国际合作基金等项目的资助。

近年来，张耀鹏教授团队聚焦于丝素蛋白材料在生物医用材料和电子器件领域中的研究，并发表了一系列的研究成果（J. Mater. Chem. A, 2020; 8, 25323;Mater. Horiz., 2021, 8, 3281-3294;Adv. Fiber Mater., 2022; 4, 758-773;Compos. Part B-Eng., 2022; 235, 109764;ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022; 14, 123-137;Nano Energy, 2022, 96, 107101;Mater. Today, Bio., 2022, 221, 146;Acta Biomater., 2022, 153, 68-84）

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原文链接：

https://doi.org/10.1039/D2MH01125E

来源：东华生物质材料成型与加工课题组