东华大学团队综述柔性神经接口发展及应用，有望推动神经疾病诊断等领域取得新突破

来源：DeepTech深科技

近年来，神经接口技术的快速发展，和其在灵长类动物体内实验中的探索应用，有利地推动了神经科学领域的前进，尤其是在人机交互、脑功能分析以及偏瘫、帕金森病等神经系统疾病的治疗方面。

在该技术中，电极所发挥的作用是至关重要的。其性能的好坏，对信号采集质量和信号处理效率的影响非常大。

目前，可以用来制备神经接口电极的材料有很多，比如金属、无机材料和生物活性聚合物。

其中，以丝素蛋白、纤维素和聚二甲基硅氧烷为主要代表的生物活性聚合物，因具备灵活性、柔软性、易加工性和良好的生物相容性等优点，在制作电极衬底和封装层，开发例如用于记录皮层脑电图的神经接口上蕴藏着巨大潜力。

为了探究这类天然高分子材料在柔性神经接口领域的发展现状和应用前景，来自东华大学纤维材料改性国家重点实验室的张耀鹏教授和姚响副教授，带领团队开展了系统的调研、分析和总结。

他们从共形神经接口的材料选择、结构设计和集成应用等方面进行分析，并就生物相容性、电性能和机械柔软性等维度，对由生物活性聚合物支持的神经界面的发展提出了自己的观点。

图丨张耀鹏（来源：张耀鹏）

东华大学纤维材料改性国家重点实验室博士研究生胡展翱为论文的第一作者，张耀鹏教授和姚响副教授为论文的共同通讯作者。

神经接口发展初期，其电极材料一般是由金属制成的。虽然电极上的金属微探针，可通过对细胞膜的机械性穿透，来记录单个神经元的神经尖峰，但金属本身导致的高侵入性和免疫排斥，也给进一步的医疗应用带来了较大限制。

后来，比金属模量更低的无机材料，因能够减少电极植入造成的组织损伤，而被用于制作密歇根电极或犹他电极的微探头。

不过，由于传统电极大多为刚性，大脑表面却是不规则曲面，因此要想在不损伤脑组织的条件下建立电极和大脑间的可靠界面，是非常困难的。

在此背景下，推进柔软灵活、易于制造和生物相容性良好的神经接口的开发十分必要，而生物活性聚合物也因具备如下优势，成为一类能替代刚性金属很好的电极材料。

图丨神经接口的发展时间表（来源：Materials Horizons）

详细来说，首先，生物活性聚合物的灵活性强、柔软性好，既可以完美贴合大脑不规则表面，又可以延长信号采集的有效时间。

其次，生物活性和相容性好，抗炎症反应强，能提高神经电极的工作效率。同时，易加工、可定制，有利于开发不同类型和结构设计的神经接口。

图丨神经接口与脑组织的共形性能（来源：Materials Horizons）

但是，在研究过程中，该团队发现生物活性聚合物神经电极在实际应用中依然面临着许多困难。为了攻克这些难题，他们也提出了对应的策略。

第一，神经接口的生物相容性还需进一步提升。在原料提取和结构制造的过程中，必须进一步优化工艺，并对神经接口材料进行系统研究，确保其中不含有害化学成分，以避免植入物引发的脑损伤风险。

第二，提高神经接口材料的界面阻抗、信号传导和长期稳定性。

“虽然生物活性聚合物和生物材料及传统的无机材料相比具有优势，但它也有一些性能需要被提升。”张耀鹏说，“比如，组织通过离子传递生物电信号，而金属通过电子传递电荷。

因此电极-组织界面的传导机制就是离子到电子的转换过程。我们还需要开发有效的生物活性水凝胶或弹性体，以促进离子-电子信号的传导。”

此外，对于柔性神经接口而言，生物活性聚合物的柔软性调控，也有待继续深入研究。这是因为，虽然大多数柔性高分子材料的模量远低于传统硬质材料，但仍不能与真实的脑组织界面完全匹配。

基于此，张耀鹏表示：“下一步，我们将继续聚焦丝素蛋白和纤维素这两种天然高分子材料，并从上述三个策略出发，改善目前用生物高分子制备柔性神经接口时存在的问题，推动其向神经疾病诊断、脑机接口、人机交互等方面的应用拓展。”

参考资料：

1.Z. Hu, Q. Niu, B.S. Hsiao.et al. Bioactive polymer-enabled conformal neural interface and its application strategies. Materials Horizons, 2023, DOI: 10.1039/D2MH01125E