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西南交大鲁雄/谢超鸣团队Matter:仿贻贝超软导电粘附水凝胶用于脑机接口
2022-02-03  来源:高分子科技

  脑机接口(Brain-Machine Interface,BMI)为大脑和外界人造器械建立了直接沟通的桥梁,在神经性疾病的诊断和治疗方面具有重大意义。传统的BMI通常利用由金属或陶瓷制成的固体电极,这类电极是刚性且干燥的,无法与柔软的脑组织相贴合。为了解决该问题,已有研究者采用低模量塑料或弹性体制作柔性神经探针,以期达到缩小脑组织和植入电子器械间的机械性能差异。然而塑料和弹性体的力学柔韧性无法完全适用于柔软的脑组织表面。力学不匹配将导致记录的信号具有不准确性,进而升高误诊的风险,甚至在BMI长期植入时发生慢性异体排斥反应(Foreign body response,FBR)。


  针对以上问题,近日,西南交通大学鲁雄教授、谢超鸣副教授团队、电子科技大学潘泰松副教授、中国海洋大学韩璐教授和北京基础医学研究所江小霞副研究员,通过分子设计,在卡拉胶-聚多巴胺-聚丙烯酰胺互穿水凝胶网络中引入双键化多巴胺限域聚合的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)纳米颗粒(dPEDOT NPs),制备得到仿贻贝导电超软水凝胶。该dPEDOT NPs能够与高分子网络发生多重物理化学作用,赋予了水凝胶超软的力学性能;且其在水凝胶网络中构筑了一种氧化还原系统,从而赋予水凝胶良好的生物粘附性和免疫逃逸能力(图1A和B)。该水凝胶可直接在微电路表面通过自固化实现转印,其反应过程温和,不损坏微电路的完整性。最终集成水凝胶基柔性超软BMI(图1C)。该水凝基BMI与传统的BMI相比,具有以下优异性能:1)与天然脑组织同等水平的超软模量,避免因机械不匹配性造成的FBR(图1D);2)良好的组织粘附性,可以与大脑皮层无缝贴合,从而减轻脑组织与BMI之间因错位、摩擦而导致的FBR(图1Bii和1E);3)免疫逃逸能力,能够主动降低神经炎症、抑制瘢痕组织再生(图1F)。


图1纳米颗粒的设计及水凝胶基脑机接口。(A)双键化多巴胺限域聚合而成的亲水dPEDOT NP;(B)dPEDOT NP引入卡拉胶(CA)-聚多巴胺(PDA)-聚丙烯酰胺(PAM)水凝胶互穿网络中,Bi,dPEDOT NPs与CA-PDA-PAM水凝胶网络相互作用的示意图,Bii,dPEDOT NP 中的动态氧化还原反应;(C)水凝胶原位转印电路构建BMI的示意图;水凝胶BMI展现出(D)超软、导电、透明和(E)生物粘附的特性;(F)水凝胶BMI可通过免疫逃逸来减小体内免疫排斥反应。


  该项研究成果以“Bioadhesive and conductive hydrogel-integrated brain-machine interfaces for conformal and immune-evasive contact with brain tissue”为题在线发表于Cell的姊妹期刊《Matter》。论文第一作者为西南交通大学在读博士研究生王笑和电子科技大学硕士孙晓彤,通讯作者是西南交通大学的鲁雄教授、谢超鸣副教授团队、电子科技大学潘泰松副教授、中国海洋大学韩璐教授和北京基础医学研究所江小霞副研究员。论文第一单位为西南交通大学材料科学与工程学院。该研究得到了广东省重点研发计划,国家自然科学基金等项目支持。


  原文链接:https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(22)00012-1

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(责任编辑:xu)
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