美國西北大學John A. Rogers院士Nature Materials：用于慢性神經界面的柔性生物電子系統材料

【引言】?

?近年來，可植入的生物電子系統在軟生物組織界面上提供長期和積極的功能，是生物醫學研究的有力工具，其可能為治療疾病的工程方法奠定基礎。其中，日趨成熟的技術如：深腦刺激器，人工耳蝸和心臟起搏器等，均采用類似的設計并被廣泛使用。在這樣的系統中，密封在剛性外殼中的電子模塊通過絕緣電線連接到用作生物組織界面的金屬電極，從而將其與周圍的生物隔離。盡管這些基本體系結構在治療全球患者方面具有重要價值，但它們并不能提供通往大量的可擴展路徑，也無法在較大的彎曲表面或擴展的體積空間中進行接觸。此外，用作長期穩定，高性能的電子記錄和刺激接口的大腦和神經系統其他部分的工程系統，具有跨宏觀區域的細胞水平分辨率，是神經科學和生物醫學界廣泛關注的問題。然而，在使用這樣的材料來實現生物電子學中的高性能和長期穩定性方面仍然存在艱巨的挑戰。內在和外在限制的綜合影響包括，相對較差的電荷傳輸特性，有限的水滲透率和較差的結構特性（例如針孔，裂縫和晶界），代表了一些需要進一步改進的方面。

近日，美國西北大學John A. Rogers院士（通訊作者）總結了該領域的最新進展，強調了主動和被動組成材料，設計體系結構和集成方法，且這些方法在動物模型中具有廣泛的實用性，具有與大腦的高性能和長期穩定的界面，并有可能應用于周圍神經，脊髓，心臟等，支持必要水平的生物相容性，電子功能，生物流體的長期穩定操作和體內使用的可靠性。同時對生物電子系統進行了研究，該系統能夠以高時空分辨率在大面積上進行多重電生理繪圖，特別關注那些在活體動物模型中證明具有長期穩定性和在人腦尺度上可擴展到數千個通道的系統。因此，材料科學的研究將繼續為該研究領域的發展提供支持。相關研究成果以“Materials for flexible bioelectronic systems as chronic neural interfaces”為題發表在Nature Materials上。

【圖文導讀】

圖一、新興的可植入生物電子平臺作為神經界面

（a-c）柔性絲狀探針；

（d-f）類似工作表的架構結構；

（g-i）開放網格的幾何形狀。

圖二、有源半導體系統和生物流體阻擋材料用于延長設備使用壽命

（a）曲線表面柔性神經探針片的圖像；

（b）多通道神經界面系統的原理圖和SEM圖像；

（c）具有扭結Si-NW FETs（直徑80 nm），金屬互連（Cr/Pd/Cr）和SU-8封裝（1μm）的網狀生物活性支架的SEM圖像；

（d）聚酰亞胺襯底上的Si-NM晶體管陣列的照片；

（e）處于彎曲狀態的LCP（厚度為50μm）層支撐的柔性Si-NM集成電路（RFIC）的照片；

（f）各種阻隔材料的WVTRs近似范圍示意圖。

圖三、用于長期穩定的主動電子神經界面的材料和工程方法

（a）左：在聚酰亞胺(PI)上通過一層t-SiO₂到Si-NM晶體管的電容耦合傳感機制；

（b）在pH為7.4的不同溫度下，t-SiO₂在PBS中的溶解速率；

（c）在PBS和晶體管電極中Pt探針之間，在PBS(96°C)中浸泡10天后的Vapp的Na⁺([Na⁺])濃度和t-SiO₂的電位分布；

（d）在37°C PBS中浸泡2天后，不同層t-SiO₂（左）和三層對二甲苯/HfO₂/t-SiO₂在不同Vapp下的[Na⁺]截面；

（e）通過氣孔結構（p⁺⁺-Si//t-SiO₂）傳導耦合至Si-NM晶體管的感應耦合機制；

（f）在不同溫度下在有和沒有Au涂層的情況下p⁺⁺-Si在PBS?中溶解的體外試驗；

（g）在96°C的PBS中進行浸泡測試，在1 kHz下阻抗隨時間的變化；

（h）基于聚酰亞胺襯底上一層單晶SiC的柔性生物集成電子，包裹在彎曲表面。

圖四、用于長期生物整合的高分辨率/可縮放神經電子系統

（a）柔性生物電子系統晶體管陣列的原理圖；

（b）系統活動區域的圖像；

（c）測量系統與軟人造硬膜集成在一起；

（d）擁有103個位點的猴子皮層表面視覺誘發生物電位動力學

（e）采用t-SiO₂封裝的可擴展系統植入大鼠的聽覺皮層；

（f）在大鼠模型（R1-R5）的慢性操作過程中，不同時間間隔的泄漏電流；

（g）植入后368天內，在不同日期的兩個節點處的點誘發反應；

（h，i）作為近似于人腦形狀的聚合物襯底上的傳感節點的微型電子元件。

【小結】

總而言之，正如本文所強調的那樣，工程材料，設計構造和集成方案的進步對于開發具有長期穩定，高性能運行的，且靈活，壽命長的生物電子系統至關重要。從形狀因素的角度來看，從絲狀探針到柔性薄板和開放式網狀結構。盡管很少有提供主動電子功能和長期運行穩定性的組合功能，但最近的工作表明在開發和使用硅基材料（例如Si，SiO₂（碳化硅，硅化物，硅化物）），可在動物模型中進行感測/刺激，其性能和使用壽命在質量上已超過現有替代產品。同時，在所有情況下，至關重要的是材料的生物相容性，材料與生物組織和細胞的界面發生免疫反應會損害生物信號的質量，從而縮短系統的有效壽命。在某些情況下，功能化的聚合物和/或藥物材料可以抑制免疫原性的形成并降低感染的風險。

其他的研究機會是在支持多功能操作的電子/光電/微流體系統中，以及在編程的藥理學遞送和多模式感測中的選件，從而將測量和診斷與刺激和治療相結合，作為在不同界面進行閉環操作的基礎（脊髓，外周神經，心臟表面和其它器官）在所有情況下，生物相容性機制都是必不可少的，在這種情況下，柔韌性（例如彎曲到較小的曲率半徑而不會受到損壞的性質）可能很有價值，但是可拉伸性（例如能夠在沒有損壞的情況下伸展到較大的應變水平）是優選的，以使系統能夠適應自然彎曲的紋理和生命系統的時間動態運動。另外，盡管此處介紹的內容側重于“無限”壽命中的目標，但由于圍繞“瞬態電子學”概念構建的臨時植入物，在提供相反行為的系統中存在著明顯的材料機遇。本文也重點介紹了許多用于慢性神經界面的新興技術和材料，它們在細胞培養，類器官和動物模型的基礎研究中具有直接的實用價值，其目標不一定是在人類中使用。在將這些進步與臨床實踐中的實際應用聯系起來時，仍然面臨著嚴峻的挑戰，在這些方面，對神經疾病的監視/治療的記錄/刺激，高時空分辨率和高保真度操作的可擴展性的要求是穩定的針對特定應用案例的化學和力學方面的生物相容性，解決這些問題主要集中在材料組成上。在大多數情況下，神經技術方面的這些以及其他正在進行的跨學科研究都涉及材料科學和材料工程。基礎科學的各種主題以及在生物醫學研究和人類醫療保健中產生廣泛影響的潛力為基礎和應用研究的新方法和新概念創造了希望。

文獻鏈接：“Materials for flexible bioelectronic systems as chronic neural interfaces”(Nature Materials，2020，10.1038/s41563-020-0679-7)

本文由材料人CYM編譯供稿。