時至今日，越來越多的人體植入式醫療器械走進人們的生活，如深部腦刺激器、心臟起搏器、植入式胰島素泵等，對幫助人類身體功能恢復起到巨大作用，但隨之而來的卻是器械壽命短暫，難以長期運行的困擾。
一般情況下，植入人體的醫療器械可能會引起周圍組織的免疫反應，從而產生炎症，導致該設備性能下降，運行時間大為縮短，甚至需要額外更換設備。
為應對這一挑戰，韓國科學技術研究院（KIST）宣布開展聯合研究工作，並開發出一種可用於植入人體的醫療器械的塗層技術。該技術能夠最大限度地減少植入過程中的組織損傷並抑制炎症反應。此外，經塗層潤滑後醫療器械的使用壽命可達現有設備的四倍之多。
圖 | 相關論文（來源：Advanced Science）
相關研究成果以論文形式發表在Advanced Science，該論文以《用於急性插入創傷最小化和長期信號記錄的潤滑非免疫原性神經探針》（A Lubricated Nonimmunogenic Neural Probe for Acute Insertion Trauma Minimization and Long-Term Signal Recording）為題，由延世大學電氣與電子工程學院博士李延澤（Il-Joo Cho）擔任第一作者。
植入式醫療器械“短壽”問題引發憂慮
近年來，隨着科學技術的進步，人類開發了多種人體植入式醫療器械，並已廣泛應用於臨床領域。
其中，腦機接口（BMI）由於有望通過長時間雙向翻譯神經信息來治療神經系統疾病，已成為植入式醫療器械中的典型代表，比如用於治療帕金森病和其他腦部疾病的深部腦刺激器等。
但令人憂慮的是，當深部腦刺激器或芯片被植入大腦時，由於小膠質細胞等腦免疫細胞的作用，設備通常難以穩定運行，使用壽命往往很難達到預期。
（來源：Advanced Science）
據了解，將腦組織和植入設備之間的接口無縫集成以長期記錄和控制神經元至關重要。近幾十年來，已有許多不同形狀的神經探針被用於與腦組織的牢固整合，以穩定地記錄來自神經元的神經信號。
然而，用於臨床BMI的植入探針尚未被廣泛採用，主要原因便在於探針會和組織界面產生生物炎症反應。
該類炎症一般是由急性插入創傷和慢性異物反應引起的。急性插入創傷不僅會導致急性神經損失的增加，而且會加速植入探針周圍神經膠質鞘的初始形成。此外，由於異物反應，膠質鞘厚度逐漸增加，最終會將神經元從電極上驅離，導致信號記錄中斷。
因此，如何減少植入過程中的組織損傷並抑制炎症反應，延長設備壽命，成為推動植入式醫療器械發展的關鍵因素。
新技術將神經探針壽命提升四倍以上
基於食肉植物豬籠草光滑葉子的靈感，該研究團隊開發了一種形成抗生物污垢塗層的方法。通常設備植入人體時會產生摩擦，而該技術可在植入設備表面形成薄而均勻的潤滑油塗層，並通過減少設備與組織之間的摩擦來使組織損傷最小化。
圖 | 豬籠草（來源：Pixabay）
此外，塗層裝置表現出抗生物粘附特性，即防止由免疫排斥反應激活的免疫細胞粘附到裝置表面。
不過，當時並沒有研究數據表明該塗層可以應用於電子設備而不影響它們的信號記錄性能以及它如何在體內相互作用。
為了驗證該塗層技術的臨床可能性，研究團隊開發了一種帶有32個電極的潤滑劑塗層神經探針，用於測量大腦信號。最終，對腦組織的觀察證實，該技術能夠有效降低人體免疫反應，且植入過程中通常發生的組織損傷被最小化。
圖 | 與裸探針相比，塗層探針的免疫反應降至最低的機制示意圖（來源：Advanced Science）
實驗過程中，該團隊將探針塗層後植入嚙齒動物的大腦中，發現超過90%的電極可以觀察到腦信號，而且信號數量是未塗層神經探針獲得的信號數量的兩倍。
此外，由於免疫細胞粘附在探針表面，未塗層探針的信號幅度會隨着時間的推移而降低。相比之下，塗層探針表現出良好的抗生物粘附特性，可以穩定地測量大腦信號，神經探針的使用壽命也從8周延長至16周。
“這種塗層探針顯示出了近乎無摩擦和抗生物污染的特性，能夠最大限度地提高其在體內的電極性能，不僅可以應用於大腦，還可以應用於身體的其他部位。對於植入式設備來說，該技術可以顯著延長此類設備的使用壽命。”李延澤表示。
該技術由韓國腦科學研究組和延世大學研究團隊聯合研發而成，得到了KIST的大力支持。值得一提的是，作為韓國第一個政府資助的多學科研究機構，KIST制定了以科學技術為基礎的國家發展戰略，並傳播了各種重要的工業技術。
李延澤表示，未來，該技術將為人體植入式醫療器械在臨床醫療中的實際使用提供更多機會，並有望通過顯著延長更換周期來加快其商業化進程。
