中國科學院上海微系統所在蠶絲神經接口研究方面取得新進展

中國科學院上海微系統所在蠶絲神經接口研究方面取得新進展

IT之家 9 月 3 日消息，生物適配性是植入式生物電子器件最重要的屬性之一，包括但不限于生物相容性、力學匹配、幾何匹配與功能匹配等特征。

蠶絲蛋白材料是制備生物醫學植入物的良好材料，并已得到臨床應用，其具有無生物毒性、不引起排異反應、體內可降解、柔性、力學性質可調及可實現功能化等優秀性質，但這種生物聚合物在用于制備生物電子器件時仍面臨一定的風險與挑戰，例如會因為溶解特性而吸水破裂。

針對這種情況，中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員陶虎團隊與上海交通大學醫學院附屬第六人民醫院合作，基于蠶絲蛋白材料開發了一種具有高度組織 / 器官適配性的植入式生物電子器件。相關研究成果已發表在《先進材料》（Advanced Materials）期刊上（IT之家附 DOI:10.1002/adma.202405892）。

他們基于蠶絲蛋白膜的超收縮特性確保了蛋白膜表面功能結構遇水不斷裂，結合多層蠶絲蛋白膜鍵合工藝和結構設計開發了形變可控的水觸發幾何重構蛋白薄膜，并通過微機電系統（MEMS）工藝與功能化蛋白膜實現了特定功能。

▲ 圖源：上海微系統與信息技術研究所

中國科學院上海微系統與信息技術研究所副研究員柳克銀表示，蠶絲蛋白薄膜常用于制作植入式生物電子器件的襯底。這種薄膜遇水后會吸水膨脹，使得器件表面的導電結構被撕裂，致使電子器件無法在人體內長期工作。此外，用蠶絲蛋白制作的柔性電子器件往往通過被動形變的方式與人體的組織器官相貼合。這意味著這些器件的貼附效果有限，影響治療效果。

因此，研究團隊在保留絲蛋白材料良好生物相容性的基礎上，利用蠶絲蛋白材料的超收縮特性與鍵合工藝實現了器件的水觸發可控幾何重構，進一步實現了器件與目標組織或器官在幾何結構與功能上的匹配。

“大多數柔性物質遇水會膨脹，但蜘蛛絲例外，遇水反而收縮，這種超收縮性是蜘蛛網遇水不破的奧秘”，柳克銀表示，研究團隊受此啟發，調整了蠶絲蛋白的分子結構，使其具備超收縮特性，不會遇水膨脹斷裂。

為了讓蠶絲蛋白膜具備更好的貼附效果，研究團隊利用多層蠶絲蛋白膜鍵合工藝，設計開發出形變可控的水觸發幾何重構蛋白薄膜。

“人體的器官和組織有各種形狀，通過疊加可收縮、可擴張的蠶絲蛋白膜，可以使植入器件的形態產生變化”，柳克銀表示，團隊利用微納米加工技術等方法，最終實現了蠶絲蛋白植入式器件與目標組織或器官的適配功能。

研究團隊不斷創新，將蠶絲“跨界”應用于神經接口，解決了神經電極在植入時容易造成較大創傷的問題。

受爬藤植物啟發，研究團隊基于雙層可卷曲蠶絲蛋白膜及 MEMS 工藝進一步開發了一種用于外周神經的螺旋電極，并在大鼠身上驗證了其電生理刺激、記錄功能以及中長期在體生物相容性。實驗表明，該電極可通過水觸發的方式實現幾何重構，從而緊密貼附于大鼠外周神經并構成良好的生物電子界面。在中長期在體植入后，未見電極導致的顯著排異反應發生。以上結果表明，多層幾何可重構蛋白膜在制備具有高度適配性的生物電子器件方面有較好應用前景。

柳克銀表示：“在進一步集成可控給藥、電刺激等功能后，這類植入式電子生物器件有望應用于外周神經修復、腦皮層電生理信號記錄以及腸道疾病治療等方面。”