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MIT赵选贺《自然·通讯》:自适应、多功能水凝胶复合探针,可用于长期传感和调节神经活动​
2021年06月15日    阅读量:277     新闻来源:中国橡胶网 zimite.com    |  投稿

为了进一步理解神经生理现象的潜在机制,神经接口需要在较长时间内与大脑回路保持双向交互。然而,将设备长时间植入大脑经常伴随着异物反应,其标志是植入的探针逐渐被胶质疤痕包裹,随后失去记录和刺激能力。这些不良反应目前被认为是源于慢性组织损伤,其中的部分原因是植入的探针与神经组织之间的力学和化学特性不匹配中国化工网okmart.com。尽管针对大脑、脊髓和周围神经的顺应性神经探针的开发已经取得了重大进展,但其中大多数的设备都依赖于一些力学性质与组织完全不同的材料,其弯曲刚度和弹性模量远远超过神经组织。最近,一些较软的材料已被用来制造顺应性神经探针,例如热塑性塑料(如聚碳酸酯)或弹性体(如聚二甲基硅氧烷),但这些材料的弹性模量(1 MPa至10 GPa)仍然超过神经组织的弹性模量(1–10 kPa) 3–6个数量级。而水凝胶由于与生物组织的化学机械性质很相似,因此十分适合作为生物和人工合成系统之间的接口。虽然水凝胶已被用于电学、流体和光学生物界面,但这些材料的一些内在局限性阻碍了它们在小型化多功能神经探针中的应用,例如导电性差(生理条件下通常<1 S cm-1)、在电解质水凝胶介质中非选择性的信号损耗和低透光率(折射率 1.33-1.51)。作为替代策略,水凝胶通常被用作由硬质材料组成的神经探针的外部涂层。虽然这些探针植入后的生物相容性相比以前有了很大提高,但仍有一些挑战有待解决。首先,通过引入水凝胶涂层会显着增加探针的整体尺寸。其次,这些水凝胶涂层装置的综合力学性能(例如,弯曲刚度)仍然由构成探针的刚性材料主导。这种力学性能不适配会对组织-探针之间的相互作用产生不利影响。

鉴于此,麻省理工学院赵选贺团队创造性地将微尺度的聚合物纤维紧密集成在软水凝胶基质中,通过将纤维拉伸工艺和水凝胶的强韧粘接技术相结合,开发出了一种顺应性良好的多功能复合探针,可用于长期神经传感和神经活动驱动。这项技术有望应用于神经科学和工程领域,例如,进行性神经系统疾病中的回路光电生理映射和未来生物电子药物的开发。该研究以题为“Adaptive and multifunctional hydrogel hybrid probes for long-term sensing and modulation of neural activity”的论文发表在最新一期《Nature Communications》上。


【多功能水凝胶复合探针的制备】

作者首先通过热拉伸制造单个功能纤维(图1b、d),其中包括由聚碳酸酯 (PC) 芯和环烯烃共聚物 (COC) 包层组成的微型光纤、封装在聚醚酰亚胺 (PEI) 绝缘包层中包含7条锡 (Sn) 微线的微电极阵列以及用于微流体通道的PEI管。随后,作者将功能性聚合物纤维整合到柔性水凝胶基质中。聚酰亚胺导向装置用于将纤维对齐到一个组件中,该组件在中心包含一个波导(105.9 ± 8.0 µm 直径),三个微电极阵列(80.0 ± 1.8 µm 直径,七个 4.75 ± 2.22 µm 电极)和三个微流体通道(54.0 ± 2.1 µm 内径和 115.4 ± 3.0 µm 外径)交替同心排列。在初始对齐之后,功能纤维被连接到光学套圈、电针连接器和流体管,然后通过一步法聚合将水凝胶集成到纤维上。为了实现与周围脑组织的良好力学和化学相互作用,同时保证组装功能纤维的牢固整合,作者采用了聚(丙烯酰胺)-海藻酸钙(PAAm-Alg)水凝胶作为混合探针的水凝胶基质,该材料具有柔软性、生物相容性、生理环境中的稳定性,并且可以与功能聚合物纤维形成强韧粘接(230 J m-2)。

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图1. 多功能水凝胶复合探针的设计、制造和表征。

【多功能水凝胶复合探针的力学分析】

由于复合探针的圆柱形几何形状以及生物组织与PAAm-Alg水凝胶之间的低粘附性,复合探针与周围脑组织之间的力相互作用主要由探针的弯曲决定。因此,作者将水凝胶复合探针的弯曲刚度作为研究中定义探针-组织相互作用的关键力学参数。作者通过有限元模拟发现,具有完全溶胀水凝胶基质的复合探针的弯曲刚度 (7 N m-1) 显着低于由不锈钢 (8191 N m-1)、二氧化硅 (2150 N m-1) 和具有相同尺寸(334 µm 直径和 3.4 mm 长度)的PC(103 N m-1)(图2a)。值得注意的是,尽管约65%的复合探针体积都被PC占据着,但是水凝胶复合探针的弯曲刚度比PC探针低约15倍,。弯曲刚度的差异源于水凝胶复合探针的束状纤维设计。在弯曲变形期间,杨氏模量比聚合物低六个数量级的柔软水凝胶基质(16.5 kPa vs. 15 GPa)会隔离每条纤维束,并分散纤维之间的应力场(图2b)。单个纤维内产生的应力隔离有效地降低了混合探头的整体弯曲刚度。作者进一步通过实验检验了数值分析的有效性(图 2c)。此外,干燥的复合探针具有更大的刚度,很容易穿透深部大脑区域(图 2e)。植入后,干燥的混合探针通过从周围组织中快速吸收水分而转化为柔软的肿溶胀探针(图2f)。这种从刚性可插入状态到软植入状态的自发变化,无需额外的工具而且不会影响生物力学兼容性,这为神经探针的深层植入提供了一种全新的策略。

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图2. 水凝胶复合探针的力学分析

【多功能水凝胶复合探针的实际应用】

作者通过实验证实该自适应水凝胶复合探针可用于监测自由移动小鼠的光电生理和行为。此外,作者通过免疫组织学证实了,这些隐形探针引起的异物反应很小,而且能够在植入后6个月(168天)内跟踪孤立的单神经元动作电位。这种具有多功能性、良好的组织-设备相互作用和自适应特性的多功能水凝胶复合探针有望为其他基于水凝胶的设备(包括可穿戴和可植入生物标记传感器)的未来发展提供一个可能的方向,从而进一步在人机界面领域引发革新。


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