MIT團(tuán)隊(duì)發(fā)明可黏附神經(jīng)的電子器件，解決植入器件纖維化難題

近期，美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）趙選賀教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新型的生物電子設(shè)備——可在多種外周神經(jīng)上長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的無(wú)纖維化生物電子界面（ANB，adhesive non-fibrotic bioelectronics），有效防止了異物反應(yīng)導(dǎo)致的纖維化。

傳統(tǒng)的植入物像一張貼在濕潤(rùn)跳動(dòng)肌膚上的硬貼紙。身體每次活動(dòng)，它就跟著摩擦、拱起。機(jī)體感受到這種異物，因此身體把這種持續(xù)的刺激當(dāng)作“傷害信號(hào)”，就派出免疫細(xì)胞前來(lái)包圍、隔離它，逐漸形成厚厚的“膠原外殼”，也就是纖維囊包裹。

盡管這層“自我防護(hù)的盔甲”是身體的本能反應(yīng)，卻會(huì)讓電子器件的信號(hào)被完全阻隔。就像你想與他人握手，卻隔著一層厚手套——電極再靈敏，也“摸”不到神經(jīng)的反應(yīng)。

而 ANB 具有黏附力強(qiáng)和反應(yīng)速度快的優(yōu)勢(shì)，它就像是一層能與神經(jīng)長(zhǎng)在一起的“第二層皮膚”。其界面黏附強(qiáng)度超過(guò) 200J/m2，優(yōu)于一般商用黏附劑的黏附性能。

它先與組織中的氨基發(fā)生化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)，可以在 5 到 10 秒內(nèi)快速、牢牢地固定在神經(jīng)外膜上，避免了因大量免疫細(xì)胞（例如中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞等）在電子界面浸潤(rùn)，而觸發(fā)的免疫防御。這樣，為器件和神經(jīng)能長(zhǎng)期“和平共處”創(chuàng)造了有利條件，并保持信號(hào)清晰和穩(wěn)定。

該論文共同通訊作者、MIT 研究科學(xué)家吳晶晶的研究方向是組織和材料的生物界面及其體內(nèi)免疫調(diào)控。她告訴 DeepTech：“讓我們感到興奮的是，在外周神經(jīng)上，我們通過(guò) ANB 進(jìn)行黏附后發(fā)現(xiàn)其并沒(méi)有引起纖維化。實(shí)際上神經(jīng)比組織更敏感，更重要的是即使是在神經(jīng)上，它也沒(méi)有引起纖維化反應(yīng)。正是因?yàn)檫@種優(yōu)勢(shì)，ANB 可以通過(guò)電學(xué)刺激神經(jīng)來(lái)長(zhǎng)期調(diào)節(jié)血壓水平，而無(wú)需使用藥物。

該技術(shù)有望用于輔助化學(xué)藥物的治療，甚至替代化學(xué)藥物治療一些高血壓疾病，或其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病，比如抑郁、偏頭痛等慢性神經(jīng)疾病的精準(zhǔn)治療。

圖丨Hyunmin Moon（左）與吳晶晶（右）（來(lái)源：資料圖）

近日，相關(guān)論文以《用于長(zhǎng)期功能性神經(jīng)調(diào)控的多種周?chē)窠?jīng)上的黏附性非纖維化生物電子界面》（Adhesive Non-fibrotic Bioelectronic Interfaces on Diverse Peripheral Nerves for Long-term Functional Neuromodulation）為題發(fā)表在 Science Advances[1]。MIT 博士后研究員 Hyunmin Moon 是第一作者，趙選賀教授和研究科學(xué)家吳晶晶博士擔(dān)任共同通訊作者。

圖丨相關(guān)論文（來(lái)源：Science Advances）

據(jù)介紹，這項(xiàng)研究是團(tuán)隊(duì)在 Nature 論文基礎(chǔ)上的延伸與功能化突破 [2]。此前他們?cè)谄鞴俦砻嫣岢隽?strong>“抗纖維化生物組織界面”的概念，實(shí)現(xiàn)了抑制纖維化的生物界面。但是，當(dāng)時(shí)并沒(méi)有整合電子功能。在本次研究中，研究人員進(jìn)一步把生物黏附材料與可拉伸導(dǎo)電電子器件相結(jié)合，打造了 ANB。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，該材料的整體設(shè)計(jì)通過(guò) 3D 打印將多材料集合在同一器件上。其具有 100 微米分辨率，適配不同神經(jīng)尺寸和功能需求，為個(gè)體化醫(yī)療提供了可能。其中，最外層采用了聚氨酯，以避免組織和材料之間有電學(xué)交流。

這樣既能保證它和組織表面粘附時(shí)電學(xué)性能較強(qiáng)，又能保證它的外層的絕緣性。并且其電化學(xué)性能優(yōu)異，在 1kHz 下阻抗僅 0.76kΩ，具備較高的充電存儲(chǔ)與注入能力，為神經(jīng)刺激信號(hào)穩(wěn)定提供了保障。

（來(lái)源：Science Advances）

研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察 ANB 的異物排斥反應(yīng)進(jìn)程，發(fā)現(xiàn)這種“免疫中性”長(zhǎng)期存在。具體來(lái)說(shuō)，在植入該材料 4 周和 12 周后，組織切片顯示神經(jīng)組織表面無(wú)纖維囊形成；免疫染色結(jié)果顯示，沒(méi)有大量巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)、平滑肌活化或膠原沉積，且神經(jīng)絲密度與原生組織幾乎一致。

更重要的是，功能驗(yàn)證上連續(xù) 4 周刺激高血壓大鼠的深腓神經(jīng)，血壓調(diào)控始終穩(wěn)定、無(wú)副作用，這說(shuō)明神經(jīng)組織界面既具有高的生物相容性，又保持長(zhǎng)期電學(xué)穩(wěn)定性。吳晶晶指出，從免疫學(xué)角度看，這意味著我們實(shí)現(xiàn)的不是“暫時(shí)抑制炎癥”，而是通過(guò)與生物電子界面化學(xué)共價(jià)交聯(lián)固定，真正阻斷了異物反應(yīng)信號(hào)傳遞。

圖丨非纖維化生物電子界面的驗(yàn)證（來(lái)源：Science Advances）

目前，該團(tuán)隊(duì)已在小動(dòng)物實(shí)驗(yàn)階段進(jìn)行驗(yàn)證。他們希望接下來(lái)進(jìn)一步在大型動(dòng)物（比如豬）上開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，并計(jì)劃發(fā)展“傳感+刺激+藥物釋放”一體化的閉環(huán)電子藥物系統(tǒng)，以推進(jìn)到神經(jīng)刺激以及聯(lián)合藥物的長(zhǎng)期可控釋放的臨床應(yīng)用。

參考資料：

1. H. Moon, B. F. G. Aymon, J Deng, T Zhou, V Prevosto, F Wang, J. Wu* Xuanhe Zhao*, Adhesive nonfibrotic bioelectronic interfaces on diverse peripheral nerves Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.adz3668.

2. J. Wu, J Deng, G Theocharidis, T L. Sarrafian, L G. Griffiths, R T. Bronson, A Veves, J Chen, H Yuk*, X Zhao*, Adhesive anti fibrotic interfaces on diverse organs Nature 630，360-367 DOI: 10.1038/s41586-024-07426-9.

運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍