微电极皮层脑电图(
micro-ECoG
)凭借卓越的时间和空间分辨率,在精准脑功能映射和神经活动解码中发挥着关键作用。然而,由于脑组织的持续微运动(如呼吸、血流和
肢体
运动)、植入器件在脑脊液中的漂浮效应,以及器件缆线的拉扯,
传统基于物理贴附的集成生物电子的方式由于弱的粘附力在器件植入后不可避免地
发生器件
-
组织
间
的相对位移
。近年来,
粘附性水凝胶
作为有效的在组织上集成生物电子方式引起了广泛的研究,
但
现有
研究多集中于皮肤、心脏等韧性组织。而在脆弱的脑组织上,水凝胶在生理环境中的尺寸变化可能
带来
导致组织
与植入器件
变形
进而因二者模量失配导致界面分离
、增强免疫反应等
挑战
。因此开发兼具优良的不变形和强粘附的水凝胶补片
用于构建稳固的神经界面
是该领域急需解决的挑战性工作。
华中科技大学罗志强教授、中科院深圳先进技术研究院李骁健
研究员
、
中国科学院自动化研究所刘冰研究员
等人利用热敏
性聚醚
F127
二丙烯酸酯(
F127DA
)
在生理温度下
链段收缩
形成
胶束
及聚磺酸基
甜菜碱
(
PSBMA
)
在溶剂置换后链段舒展的特性,
提出分子链拓扑平衡策略并
开发了一种不变形水凝胶贴片,实现
-4.5%
的微小
溶胀率
,且共聚
生物
粘附功能单体丙烯酸
AA
实现稳固的湿
组织
粘附。通过不变形水凝胶
将
micro-ECoG
器件
集成
到
SD
大鼠
脑组织上,相比溶胀水凝胶与收缩水凝胶,不变
形
水凝胶可以
有效
降低纤维化水平、减少胶质细胞募集,同时实现长期稳定的、高保真的捕捉大脑神经动力学。
该研究以
题为
“Robust Neural Interfaces Enabled by Non-Deformable Adhesive Hydrogel Patch for Stable Chronic ECoG Recording”
的论文发表在《
Advanced Functional Materials
》上。
图
1.
利用不变形粘附水凝胶贴片构建稳固神经界面实现长期稳定的
ECoG
记录
a)
网格状
micro- ECoG
器件示意图。将
M
icro-ECoG
器件集成至微型化的印刷电路板(
PCB
)上,该
PCB
作为电信号传输的接口。同时,高性能导电聚合物层(
PIN-5NH
2
/PEDOT
)被用于修饰
micro-ECoG
电极以提高电化学性能。
b)
构建稳固神经界面示意图。采用粘附水凝胶贴片,以解决微型
ECoG
设备与皮层组织之间的相对位移问题。
c)
不变形水凝胶设计示意图。传统水凝胶的膨胀效应是由于水分子渗透聚合物网络,使其体积膨胀。而热响应性水凝胶的收缩效应在温度超过
下临界溶解温度
(
LCST
)时,会引发热敏材料的胶束化,从而导致聚合物网络收缩。通过分子链拓扑结构平衡策略,赋予水凝胶具备不变形特性,以解决因水凝胶膨胀或收缩带来的组织变形、增强炎症响应的挑战。
图
2.
不变形(
FSAP
)
水凝胶的制备与表征。
a) FSAP
水凝胶贴片的制备示意图。
F127DA
作为交联剂,提供热诱导的链段收缩,而
PSBMA
可实现溶剂交换后的分子链伸展。二者平衡的分子
链
拓扑结构确保了水凝胶的
不变形
特性。
AA
赋予生物粘附
功能
,
PVB
增强疏水相互作用。
b)
不同
SBMA
浓度
FSAP
水凝胶在
5
天内的溶胀率,表明高浓度
SBMA
通过链伸展作用在溶剂交换
后导致水凝胶网络过分伸展而溶胀
。
c)
SA
、
FAP
和
FSAP
水凝胶在不同
F127DA
浓度下的溶胀率,显示高浓度
F127DA
在生理温度下诱导
水凝胶网络过分疏水缔合而收缩
。
d) FSAP
水凝胶在肌肉、心脏和肝脏组织上的粘附强度
,表明
FSAP
水凝胶可以实现稳固的湿组织粘附。
图
3.
FSAP
水凝胶贴片的
体内及体外
生物相容性评估。
a)
在标准培养基(对照组)和
FSAP
水凝胶浸提液中培养
1
天及
5
天的
PC12
细胞活
/
死染色图像。
b) PC12
细胞与
不变形
水凝胶浸提液共培养不同时间点(第
1
、
3
、
5
天)的
CCK-8
实验结果,表明水凝胶
优异的细胞相容性
。
c)
假手术组(
sham
)、
通过溶胀水凝胶
(
SD
)、收缩
水凝胶
(
CD
)和
不变形水凝胶
(
NDD
)的
集成
micro-ECoG
器件的
脑组织切片
Masson
染色(
i
)及免疫荧光染色图像(
ii. DAPI/GFAP
,
iii. DAPI/IBA-1
)。
NDD
组纤维膜厚度显著降低且胶质细胞募集减少,而
SD
组和
CD
组观察到不同程度组织形变。
d)
各组纤维囊厚度的量化分析。
e)
相对于假手术组的
GFAP
荧光强度。
f)
相对于
假手术组的
IBA-1
荧光强度
强度
。
图
4.
使用
不变形
水凝胶贴片
集成
micro-ECoG
器件
实现脑组织场电位轨迹的体内长期记录。
a)
采用
有
/
无不变形
水凝胶贴片
集成
micro-ECoG
器件,
对
SD
大鼠
脑皮层
进行一周场电位原始轨迹记录。
有水凝胶组
相比无
水凝胶组
展现出更稳定的信号采集能力。
b)
有
/
无不变形
水凝胶贴片
集成
micro-ECoG
器件
一周内信噪比变化。
有
水凝胶
组
始终具有更
稳定的信噪比
值。
c)
有
/
无不变形
水凝胶贴片
集成
micro-ECoG
器件
采集的皮层脑电频率谱图。第
7
天时,无
水凝胶组
已无法记录
明显
信号,而
有
水凝胶
组
仍能持续捕获高保真
的脑电
信号。
以上相关成果发表在
Advanced Functional Materials
(
Adv. Funct. Mater.
202
5
,
2422717
)
上。论文的第一作者为华中科技大学
硕士生李文龙与博士生李兴
,通讯作者为华中科技大学
罗志强教授
,共同通讯作者为中科院深圳先进技术研究院
李骁健
研究员与
中国科学院自动化研究所刘冰研究员
。
该项目得到
国家自然科学基金
与
国家重点研发计划
支持。
论文链接:
https://doi.org/10.1002/adfm.202422717