東華大學張耀鵬、姚響團隊《Mater. Horiz.》：基於生物活性高分子的柔性神經接口

採集和解碼神經電生理信號對於神經疾病診斷和病理研究具有重要意義，同時也是人類認識大腦，破解大腦運行機制和認知功能的關鍵技術。與傳統的由影像設備輔助的神經信號檢測技術相比，通過神經電極實現的神經接口技術具有更優的時/空分辨率，可對大腦中各種電生理信號進行原位採集和實時監控。然而，當前臨床上使用的神經電極大多是基於無機材料的剛性電極，該神經電極的力學性能與神經組織之間存在巨大的差異，且生物相容性欠佳，易造成腦組織損傷和炎症反應。高分子材料及其加工技術的進步為開發新一代柔性神經接口提供了新機遇。其中，兼具良好柔性、生物相容性和加工適應性的活性高分子薄層材料可較好地實現與不規則曲面組織的共形接觸（conformal contract），並有效緩解植入物引起的慢性炎症，是構築長期植入神經接口的理想材料。

圖1. 神經接口的發展簡史

近日，東華大學纖維材料改性國家重點實驗室張耀鵬教授、姚響副教授團隊從材料選取、神經接口結構設計和接口集成策略三個方面（圖2），系統地總結了生物活性高分子基神經接口的構築及應用策略相關的前沿研究進展，並對其發展前景及挑戰進行了分析。相關成果以題為Bioactive polymer-enabled conformal neural interface and its application strategies發表在Materials Horizons上，東華大學博士生胡展翱為第一作者，東華大學博士後牛欠欠、紐約州立大學石溪分校Benjamin S. Hsiao教授為共同作者，張耀鵬教授和姚響副教授為共同通訊作者。

圖2. 製備柔性神經接口的三個核心考慮因素

首先，該綜述簡要介紹了神經接口發展歷程、神經信號採集方法以及神經組織對相關植入物的響應特徵，強調了神經接口構築材料的生物相容性和柔性對維持神經接口在體內持久有效運作的重要性。皮質腦電圖（electrocorticogram，ECoG）作為一種兼具較低侵入性和較高信噪比的神經信號採集方法，受到了廣泛的研究與關注。本文進一步通過以絲素蛋白（silk fibroin，SF）（圖3）、纖維素及其衍生物作為生物高分子材料代表，以聚酰亞胺、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等作為合成高分子代表，全面分析並總結了上述生物活性高分子基ECoG神經接口的發展及其應用進展。此外，本文還系統地討論了材料選擇、接口結構設計和神經接口集成策略對神經接口綜合性能的影響：為緩解神經接口植入引發的慢性炎症，SF、纖維素等生物高分子具有良好的生物相容性、生物可降解/可吸收性和力學柔性，可用於構築理想的神經接口襯底和封裝材料；為進一步提高神經接口與組織間的共形接觸和信號採集效率，可通過合理的結構設計，例如剪紙結構和正弦結構等，賦予神經接口優異的可拉伸性，從而更好地適應組織的動態生理運動；同時提供了兩種可適用於生物高分子基神經接口集成和封裝的策略，以期為更多生物活性高分子基神經接口的開發和優化提供指導意義（圖4）。

圖3. 從SF到SF基神經接口

圖4. 生物活性高分子基柔性神經接口的兩種集成/封裝策略（a、c）“三明治”結構；（b、d）鈍化結構

為實現神經接口在植入後對神經活動的長時間有效監控或施加電刺激，以及擴展其在神經疾病診斷和人機交互等領域的實際運用，本文提出了如下發展前景及挑戰：

（1）神經接口的生物相容性需進一步提高。在原料提取和接口製造過程中，需進一步優化相關工藝並建立完善的監管體系，以確保所製備神經接口中不包含有害化學成分，從而避免植入物引起的腦損傷和炎症風險。此外，還可通過表面接枝/改性技術，提高神經接口對目標神經元的親和性，減少非預期的神經細胞（如神經膠質）在神經接口周圍的粘附和增殖。

（2）神經接口界面阻抗、信號轉導和長期電穩定性等性能需要進一步提升。例如，組織通過離子傳遞生物電信號，而金屬則通過電子傳遞電荷。因此，在接口-組織界面上的轉導機制是一個離子到電子的轉換過程，反之亦然。開發有效的生物活性水凝膠或彈性體，以促進離子-電子信號轉導，是開發高效和電性能穩定神經接口的重要方向。

（3）生物活性高分子的柔軟性調控值得進一步研究。大多數柔性高分子材料的模量（＜100 kPa）遠低於常規無機材料（＞1 GPa），但仍高於真實腦組織的模量（~1 kPa）。使用導電高分子替代傳統金屬導體，可有效降低神經接口的整體模量，但該類接口所支持的通道數量需要進一步增加。此外，高分子材料在體內的耐久性和植入後的降解情況也需要綜合考慮和研究。

此工作得到了國家自然科學基金、上海市優秀學術帶頭人項目，以及上海市科委國際合作基金等項目的資助。

近年來，張耀鵬教授團隊聚焦於絲素蛋白材料在生物醫用材料和電子器件領域中的研究，並發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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原文鏈接：

https://doi.org/10.1039/D2MH01125E

來源：東華生物質材料成型與加工課題組