東華大學纖維材料改性國家重點實驗室張耀鵬教授聯(lián)合上海市第六人民醫(yī)院神經(jīng)外科，基于MicroFab Jetlab 4高精度噴墨打印系統(tǒng)，成功開發(fā)出全球領先的非瞬態(tài)絲素蛋白（SF）柔性神經(jīng)接口。隨著腦機接口技術的不斷發(fā)展，實現(xiàn)用意念操控外部設備的科幻場景正逐步變?yōu)楝F(xiàn)實，研究成功采集了具有更高精準度和更低信噪比的大鼠皮質(zhì)腦電（ECoG）信號，為后續(xù)長效腦電監(jiān)控、神經(jīng)疾病病理研究和人機交互提供了解決方案。

▲ 圖1 基于SF神經(jīng)接口的研究思路

在研究中，研究人員基于甲酸-氯化鈣體系制得了有更高分子量的SF溶液。甲酸的存在促進SF長鏈和PEDOT分子間相互滲透和纏結(jié)（如圖2）。在溫度的輔助下，SF溶液逐漸固化（重結(jié)晶），將已滲透的PEDOT分子牢固鎖合于SF層中，形成SF/PEDOT交織界面。這一加工方法賦予了所得SF/PEDOT材料本征非瞬態(tài)特性，其交織界面極大地保證了PEDOT導電層的高電導率和濕態(tài)環(huán)境下的耐受性，為后續(xù)制備非瞬態(tài)SF神經(jīng)接口奠定了堅實的理論基礎。

▲ 圖2 SF/PEDOT 薄膜的制備

基于熱溫輔助圖案轉(zhuǎn)移技術，研究人員成功將噴墨打印的PEDOT電極轉(zhuǎn)移至SF柔性襯底，制備了具有6通道電極的非瞬態(tài)SF柔性神經(jīng)接口（圖3）。神經(jīng)接口器件前端采集點尺寸越小，所采得腦電信號越精確。此外，更小的器件尺寸也利于縮小植入創(chuàng)面。與現(xiàn)有SF基神經(jīng)電極/接口材料相比，本研究制備的SF柔性神經(jīng)接口在共形性、水穩(wěn)定性和更小電極尺寸方面具有明顯的優(yōu)勢。

▲ 圖3 基于SF的神經(jīng)接口的制備

本研究還對SF神經(jīng)接口生物功能進行了驗證（圖4）。使用SF薄膜封裝后的SF神經(jīng)接口成功地在麻醉大鼠腦皮質(zhì)表面采得ECoG信號，且與商用聚酰亞胺基神經(jīng)電極相比，具有更高的精準度和更高的信噪比。實驗結(jié)果表明，通過藥物誘導的大鼠癲癇發(fā)作是間歇性的，并在潛伏期（或靜息）、發(fā)作期和消退階段循環(huán)約半小時，而非通常認為的長時段處于發(fā)作期。這證實了非瞬態(tài)SF柔性神經(jīng)接口可鑒別癲癇狀態(tài)下大鼠的各類腦電波。

▲ 圖4 體內(nèi)記錄ECoG信號和癲癇樣活動

針對非瞬態(tài)SF柔性神經(jīng)接口的生物相容性這一關鍵問題，研究團隊圍繞術后動物生存狀況、免疫反應和血液中炎癥因子含量進行了重點考察評估，如圖5所示，以PI貼片（PI膜用作基材，PEDOT：PSS噴墨打印電極）為對照組，相關結(jié)果表明，SF神經(jīng)接口具有良好的柔性、共形性和低免疫原性，術后大鼠短期內(nèi)可恢復正常生理功能、皮質(zhì)表層未見明顯擦傷，且血液中炎癥因子表達處于較低水平，這將有利于后期臨床應用研究。因此，這些長期生物相容性和非瞬時SF潛在功能化的增強有望開發(fā)出一種高效和安全的“一體化”神經(jīng)接口。

▲ 圖5 體內(nèi)生物相容性和炎癥評估