Advanced Materials | 類(lèi)神經(jīng)鐵電生物電子實(shí)現(xiàn)與神經(jīng)組織的無(wú)縫整合及自適應(yīng)通信
植入式生物電子器件通過(guò)感知、監(jiān)測(cè)或調(diào)控生物電信號(hào),在神經(jīng)科學(xué)研究、神經(jīng)系統(tǒng)疾病治療及腦機(jī)接口領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,已成為生物系統(tǒng)與外界信息交互的核心橋梁。然而,傳統(tǒng)植入式生物電子器件因缺乏神經(jīng)元適配特性(如柔性和匹配的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu))以及類(lèi)神經(jīng)元行為(如極化變化產(chǎn)生電信號(hào)、高密度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建),難以實(shí)現(xiàn)與神經(jīng)組織的高效界面適配,極大限制了其與神經(jīng)組織的無(wú)縫整合及自適應(yīng)界面交互能力。
近日,中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)學(xué)成像科學(xué)與技術(shù)系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、醫(yī)工所智能醫(yī)用材料與器械研究中心杜學(xué)敏研究員團(tuán)隊(duì),與腦認(rèn)知與類(lèi)腦智能全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、深圳先進(jìn)院腦認(rèn)知與腦疾病研究所魯藝研究員團(tuán)隊(duì)合作,在自適應(yīng)生物界面的類(lèi)神經(jīng)鐵電生物電子領(lǐng)域取得了重要研究進(jìn)展,相關(guān)成果以“Neuron-inspired ferroelectric bioelectronics for adaptive biointerfacing”為題,發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊Advanced Materials上。
該研究提出的類(lèi)神經(jīng)界面材料與鐵電生物電子器件(Ferroelectric bioelectronics,F(xiàn)erroE),融合了適配神經(jīng)元的柔性與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特性,以及類(lèi)神經(jīng)元行為(如極化變化產(chǎn)生電信號(hào)和高密度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的形成),實(shí)現(xiàn)了與神經(jīng)系統(tǒng)的無(wú)縫整合和自適應(yīng)通信。
該FerroE由三大核心要素構(gòu)成(圖1):(1)生物相容性聚多巴胺修飾的鈦酸鋇顆粒(PDA@BTO),用于高效光-熱轉(zhuǎn)換和增強(qiáng)鐵電性能;(2)鐵電聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物(P(VDF-TrFE)),通過(guò)可逆極化變化實(shí)時(shí)產(chǎn)生電信號(hào);(3)近似神經(jīng)元尺度的微錐陣列結(jié)構(gòu),促進(jìn)神經(jīng)元黏附、神經(jīng)突生長(zhǎng)及網(wǎng)絡(luò)化連接。上述要素的協(xié)同作用,使FerroE不僅具備優(yōu)異的力學(xué)柔性和復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),而且展現(xiàn)出高效、穩(wěn)定的光誘導(dǎo)極化變化產(chǎn)生電信號(hào)的能力:可在100毫秒時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生約3.6伏電壓,并在萬(wàn)次光照循環(huán)或在近生理環(huán)境下浸泡180天無(wú)明顯衰減。值得強(qiáng)調(diào)的是,F(xiàn)erroE表面獨(dú)特的功能分子修飾與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)協(xié)同作用,極大促進(jìn)了神經(jīng)元在其表面的高密度粘附和網(wǎng)絡(luò)化連接,同時(shí)有效抑制了星型膠質(zhì)細(xì)胞的粘附。此外,F(xiàn)erroE能夠與小鼠的外周(迷走神經(jīng))與中樞(運(yùn)動(dòng)皮層)神經(jīng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)對(duì)接,并可通過(guò)無(wú)線(xiàn)、非遺傳、非接觸方式調(diào)控小鼠的心率和運(yùn)動(dòng)行為。特別值得指出的是,F(xiàn)erroE在體內(nèi)植入3個(gè)月后,仍能與神經(jīng)組織保持優(yōu)異的功能穩(wěn)定性和生物相容性界面(圖2)。這類(lèi)適配神經(jīng)元特性和行為的類(lèi)神經(jīng)界面材料與器件,將為下一代腦機(jī)接口、組織工程材料和生物醫(yī)學(xué)器件的發(fā)展帶來(lái)新機(jī)遇。
中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)學(xué)成像全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/智能醫(yī)用材料與器械研究中心杜學(xué)敏研究員與腦認(rèn)知與腦疾病研究所/類(lèi)腦智能全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室魯藝研究員為該論文的共同通訊作者,王芳博士與王璐璐副研究員為共同第一作者,碩士研究生祝栩樂(lè)為共同作者。該文章獲得國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、深圳市基礎(chǔ)研究計(jì)劃等科技項(xiàng)目支持。

圖1:類(lèi)神經(jīng)界面材料與鐵電生物電子器件(FerroE)設(shè)計(jì)及與神經(jīng)元的無(wú)縫整合

圖2:FerroE對(duì)小鼠中樞神經(jīng)的調(diào)控作用及其植入的生物安全性
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