中国科学院上海微系统所在蚕丝神经接口研究方面取得新进展

IT之家 9 月 3 日消息，生物适配性是植入式生物电子器件最重要的属性之一，包括但不限于生物相容性、力学匹配、几何匹配与功能匹配等特征。

蚕丝蛋白材料是制备生物医学植入物的良好材料，并已得到临床应用，其具有无生物毒性、不引起排异反应、体内可降解、柔性、力学性质可调及可实现功能化等优秀性质，但这种生物聚合物在用于制备生物电子器件时仍面临一定的风险与挑战，例如会因为溶解特性而吸水破裂。

针对这种情况，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员陶虎团队与上海交通大学医学院附属第六人民医院合作，基于蚕丝蛋白材料开发了一种具有高度组织 / 器官适配性的植入式生物电子器件。相关研究成果已发表在《先进材料》（Advanced Materials）期刊上（IT之家附 DOI:10.1002/adma.202405892）。

他们基于蚕丝蛋白膜的超收缩特性确保了蛋白膜表面功能结构遇水不断裂，结合多层蚕丝蛋白膜键合工艺和结构设计开发了形变可控的水触发几何重构蛋白薄膜，并通过微机电系统（MEMS）工艺与功能化蛋白膜实现了特定功能。

▲ 图源：上海微系统与信息技术研究所

中国科学院上海微系统与信息技术研究所副研究员柳克银表示，蚕丝蛋白薄膜常用于制作植入式生物电子器件的衬底。这种薄膜遇水后会吸水膨胀，使得器件表面的导电结构被撕裂，致使电子器件无法在人体内长期工作。此外，用蚕丝蛋白制作的柔性电子器件往往通过被动形变的方式与人体的组织器官相贴合。这意味着这些器件的贴附效果有限，影响治疗效果。

因此，研究团队在保留丝蛋白材料良好生物相容性的基础上，利用蚕丝蛋白材料的超收缩特性与键合工艺实现了器件的水触发可控几何重构，进一步实现了器件与目标组织或器官在几何结构与功能上的匹配。

“大多数柔性物质遇水会膨胀，但蜘蛛丝例外，遇水反而收缩，这种超收缩性是蜘蛛网遇水不破的奥秘”，柳克银表示，研究团队受此启发，调整了蚕丝蛋白的分子结构，使其具备超收缩特性，不会遇水膨胀断裂。

为了让蚕丝蛋白膜具备更好的贴附效果，研究团队利用多层蚕丝蛋白膜键合工艺，设计开发出形变可控的水触发几何重构蛋白薄膜。

“人体的器官和组织有各种形状，通过叠加可收缩、可扩张的蚕丝蛋白膜，可以使植入器件的形态产生变化”，柳克银表示，团队利用微纳米加工技术等方法，最终实现了蚕丝蛋白植入式器件与目标组织或器官的适配功能。

研究团队不断创新，将蚕丝“跨界”应用于神经接口，解决了神经电极在植入时容易造成较大创伤的问题。

受爬藤植物启发，研究团队基于双层可卷曲蚕丝蛋白膜及 MEMS 工艺进一步开发了一种用于外周神经的螺旋电极，并在大鼠身上验证了其电生理刺激、记录功能以及中长期在体生物相容性。实验表明，该电极可通过水触发的方式实现几何重构，从而紧密贴附于大鼠外周神经并构成良好的生物-电子界面。在中长期在体植入后，未见电极导致的显著排异反应发生。以上结果表明，多层几何可重构蛋白膜在制备具有高度适配性的生物电子器件方面有较好应用前景。

柳克银表示：“在进一步集成可控给药、电刺激等功能后，这类植入式电子生物器件有望应用于外周神经修复、脑皮层电生理信号记录以及肠道疾病治疗等方面。”