在科幻电影《阿凡达》中，脑-机接口技术允许人类通过思维控制其外星化身，实现与潘多拉星球生物的直接联系。这种技术通过解码神经信号，使得意念操控成为可能。虽然现实中的脑-机接口还未如此先进，但它在医疗和科技领域的应用正逐步将这种科幻变为现实。例如，国际上，埃隆·马斯克领导的Neuralink公司在脑-机接口领域成功完成了至少两例人体植入手术。这些手术使得患者能够通过意念控制光标、玩电子游戏等，显著提高了他们的自主能力；国内，清华大学和宣武医院团队成功进行了首例无线微创脑-机接口临床试验，该系统实现了高位截瘫患者利用脑电活动控制外部设备，如气动手套，以实现自主喝水等功能。
近日，东华大学生物质材料成型与加工课题组、上海市第六人民医院神经外科团队在《Adv. Mater.》上发表了题为“Flexible Neural Interface from Non-transient Silk Fibroin with Outstanding Conformality, Biocompatibility and Bioelectric Conductivity”的研究论文。该研究报道了一种可有效调控丝素蛋白（SF）/聚(3,4乙烯二氧噻吩)（PEDOT）分子互穿界面的热温辅助图案转移技术，并以此制得了具有优异共形性、耐久性的非瞬态SF柔性神经接口；进一步地，通过癫痫大鼠皮质脑电（ECoG）信号采集实验对SF柔性神经接口的生物功能进行了验证（图1）。这一进展为后续长效脑电监控、神经疾病病理研究和人机交互提供了可能，此外，所报道“热温辅助图案转移技术”在指导其它SF基可植入电子器件的设计中具有一定普适性。
东华大学纤维材料改性国家重点实验室博士生胡展翱为第一作者，上海交通大学医学院博士生梁宇晴为共同一作，东华大学张耀鹏研究员、姚响副研究员和上海六院陈浩副主任医师为论文共同通讯。共同作者包括东华大学牛欠欠博士、范苏娜副研究员，硕士生黄启楣、耿敬敬，纽约州立大学石溪分校Benjamin S. Hsiao教授。
图1. 研究思路技术概要图
作为脑-机接口技术中的关键一环，神经接口器件的性能很大程度上决定了所采集电生理信号的质量。材料力学刚性过大造成的界面失配，或因生物相容性差引发的胶质瘢痕等，均易对后续神经科学转化研究造成不利影响。SF薄膜材料具有优异的可加工性和较低的免疫原性，长期以来，被认为是构筑生物质柔性神经接口器件的理想材料。然而，传统的基于溴化锂（LiBr）等高浓度盐离子实现的SF纤维溶解体系，因其所得SF分子量低、分子链较短以及水稳定性差等缺陷，难以用于构筑非瞬态（水不溶且适于长期植入）SF基可植入电子器件。通过醇类试剂浸泡或高湿环境退火后处理等，虽可一定程度改善初生SF薄膜的水不溶性，但通常会致使材料刚性增加，不符合可植入电子器件对柔性的需求。此外，在SF薄膜表面牢固集成图案化导体材料也备受挑战。
该研究中，东华大学研究人员基于甲酸-氯化钙体系制得了有更高分子量的SF溶液，且由于甲酸的存在，促进SF长链和PEDOT分子间相互渗透和缠结（图2）。在温度的辅助下，SF溶液逐渐固化（重结晶），并将已渗透的PEDOT分子牢固锁合于SF层中，形成SF/PEDOT交织界面。这一加工方法促使了所得SF/PEDOT材料本征非瞬态特性，其交织界面极大地保证了PEDOT导电层的高电导率和湿态环境下的耐受性，为后续制备非瞬态SF神经接口奠定了坚实的理论基础。
图2. 基于热温辅助图案转移技术制得的SF/PEDOT薄膜及相关表征
进一步地，基于热温辅助图案转移技术，研究人员成功地将喷墨打印的PEDOT电极转移至SF柔性衬底，并制得了具有6电极通道的非瞬态SF柔性神经接口（图3）。“神经接口器件前端采集点尺寸越小，所采得脑电信号越精确，此外，更小的器件尺寸也利于缩小植入创面”，论文第一作者博士生胡展翱说：“相较于现有SF基神经电极/接口材料，我们制备的SF柔性神经接在共形性、水稳定性和更小电极尺寸方面均具有较为明显的优势”。
图3. 具有优异曲面共形性的SF柔性神经接口
图4. 非瞬态SF柔性神经接口功能验证
该工作还对SF神经接口生物功能进行了验证（图4）。使用SF薄膜封装后的SF神经接口成功地在麻醉大鼠脑皮质表面采得ECoG信号，且具有相比商用聚酰亚胺基神经电极更高的精准度和更高信噪比。此外，SF神经接口可用于鉴别癫痫状态下大鼠的各类脑电波，研究人员发现，通过药物诱导的大鼠癫痫发作是间歇性的，并在潜伏期（或静息）、发作期和消退阶段循环约半小时，而非过去认为的长时段处于发作期。
（视频形式展示SF基神经接口采集实时ECoG数据）
可植入设备的长期生物相容性是张耀鹏研究员团队长期关注重点，通过联合上海六院神经外科合作者，团队对SF神经接口的生物相容性进行了长期评估，重点考察术后动物生存状况、免疫反应和血液中炎症因子含量。相关结果表明，受益于SF神经接口良好的柔性、共形性和低免疫原性，术后大鼠短期内可恢复正常生理功能、皮质表层未见明显擦伤，且血液中炎症因子表达处于较低水平，这将有利于后期临床应用研究。
此工作得到了国家自然科学基金（52173031、52273125）、上海市科委国际合作基金（22520711900）、上海领军人才计划等项目的资助。
生物质材料成型与加工课题组自2021年开始丝素基柔性神经接口的研究，2022年综述了高分子基柔性神经接口的最新进展（Mater. Horiz. 2023, 10, 808-828），并受到《麻省理工科技评论》等媒体的报道（https://www.mittrchina.com/news/detail/11577）；2023年课题组提出“热温辅助图案转移技术”（专利申请号：202310512558.7），成功实现了在丝素柔性衬底上牢固集成导电高分子图案。团队后续将聚焦于发展具有高密度通道的丝素柔性神经接口、脑电信号的无线传输及数据分析。该研究有望为开发新一代神经疾病诊疗技术和脑-机接口技术提供参考。
文章信息：Adv. Mater. 2024. 10.1002/adma.202410007
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