編輯總結(jié)

長(zhǎng)期植入式生物電子設(shè)備為研究神經(jīng)系統(tǒng)和肌肉活動(dòng)提供了關(guān)鍵工具，但傳統(tǒng)電極存在剛性大、不可移動(dòng)、易引發(fā)免疫反應(yīng)等問(wèn)題。受蚯蚓運(yùn)動(dòng)機(jī)制的啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出一種名為纖維“神經(jīng)蚯蚓”的可拉伸、可磁控推進(jìn)的微纖維傳感器，實(shí)現(xiàn)了在腦組織和肌肉中的動(dòng)態(tài)、多通道、長(zhǎng)期信號(hào)監(jiān)測(cè)，為大范圍、微創(chuàng)、可調(diào)控的生物電子接口提供了新方案。

研究背景

現(xiàn)有的植入式電極多基于剛性或柔性材料設(shè)計(jì)，難以適應(yīng)生物組織的動(dòng)態(tài)變形，且一旦植入便無(wú)法調(diào)整位置，限制了其在長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。尤其是在需要高時(shí)空分辨率信號(hào)采集的腦-機(jī)接口和肌電控制系統(tǒng)中，電極的可移動(dòng)性和生物相容性成為技術(shù)瓶頸。

鑒于此，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院劉志遠(yuǎn)研究員、韓飛研究團(tuán)隊(duì)、徐天添研究員團(tuán)隊(duì)與東華大學(xué)先進(jìn)纖維材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室嚴(yán)威研究員、朱美芳院士在Nature期刊上發(fā)表了題為A movable long-term implantable soft microfibre for dynamic bioelectronics的研究成果。

研究亮點(diǎn)

1.仿生設(shè)計(jì)與多功能集成

蚯蚓具有分節(jié)變體特性（即體節(jié)分段結(jié)構(gòu)），其通過(guò)在身體各部位分散分布的感測(cè)單元和神經(jīng)單元，實(shí)現(xiàn)分布式傳感與運(yùn)動(dòng)控制，能夠感知并響應(yīng)多種環(huán)境信號(hào)。此外，蚯蚓高長(zhǎng)徑比的體型特征使其能在復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)不顯眼的自適應(yīng)移動(dòng)。受蚯蚓身體結(jié)構(gòu)與功能的啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)研發(fā)出NeuroWorm—一種由離散分布（分節(jié)）電極和應(yīng)變傳感器構(gòu)成的柔性可拉伸移動(dòng)光纖傳感器（圖1a)。如同蚯蚓般，NeuroWorm可在組織內(nèi)靈活轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)植入的同時(shí)，還能同步且精準(zhǔn)地檢測(cè)電生理信號(hào)與機(jī)械信號(hào)。該策略不僅開(kāi)辟了多通道、多功能、軟體傳感技術(shù)的發(fā)展新路徑，還實(shí)現(xiàn)了Ch1-Ch10等19個(gè)通道的集成化布局。NeuroWorm系統(tǒng)通過(guò)土壤蠕動(dòng)模擬、組織運(yùn)動(dòng)測(cè)試、多模態(tài)傳感等創(chuàng)新功能，展現(xiàn)出卓越性能。其內(nèi)置縱向分布的60個(gè)電極通道，可同時(shí)采集電生理信號(hào)（如ECoG、EMG）和機(jī)械應(yīng)變信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多模態(tài)傳感。

圖1 神經(jīng)蠕蟲(chóng)的設(shè)計(jì)、制作策略和演示。

2.可拉伸結(jié)構(gòu)與機(jī)械適應(yīng)性

神經(jīng)蠕蟲(chóng)的楊氏模量約為3.1 MPa與軟組織接近，可承受高達(dá)94%的拉伸應(yīng)變，適應(yīng)肌肉運(yùn)動(dòng)變形，保持信號(hào)采集穩(wěn)定性。在施加30%拉伸應(yīng)變的1000個(gè)拉伸循環(huán)后，神經(jīng)蠕蟲(chóng)繼續(xù)保持低電阻。

圖2 神經(jīng)蠕蟲(chóng)的機(jī)械適應(yīng)性

3.長(zhǎng)期穩(wěn)定性與生物相容性

由于肌肉纖維在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)拉伸，神經(jīng)蠕蟲(chóng)的拉伸能力對(duì)于提高信號(hào)質(zhì)量和降低免疫排斥的風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。神經(jīng)蠕蟲(chóng)可以在大鼠模型中持續(xù)工作超過(guò)43周，并且在工作過(guò)程中阻抗變化小，信號(hào)質(zhì)量穩(wěn)定。54周后組織切片顯示幾乎無(wú)成纖維細(xì)胞包裹，炎癥反應(yīng)顯著低于傳統(tǒng)剛性電極?？傮w來(lái)說(shuō)，神經(jīng)蠕蟲(chóng)展示出目前同類(lèi)器件中極為罕見(jiàn)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和生物相容性。此外，與傳統(tǒng)臨床導(dǎo)線(xiàn)類(lèi)纖維相比，“NeuroWorm”對(duì)周?chē)M織的干擾最小，信號(hào)質(zhì)量?jī)?yōu)異，顯示出廣闊的臨床轉(zhuǎn)化潛力。

圖3 使用NeuroWorm系統(tǒng)對(duì)外周肌肉中電生理和機(jī)械信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)期植入式監(jiān)測(cè)。

4.微創(chuàng)植入與磁控推進(jìn)

神經(jīng)蠕蟲(chóng)的最小可實(shí)現(xiàn)直徑約為109 μm。與2D膜狀裝置相比，1D纖維需要的手術(shù)切口要小得多，這使其更適合長(zhǎng)期植入式監(jiān)測(cè)。此外，神經(jīng)蠕蟲(chóng)的頭部還有一個(gè)微型磁珠，可以進(jìn)行磁控制。一旦植入，它可以由外部磁場(chǎng)引導(dǎo)，從而諸如腦和肌肉等組織，像蚯蚓一樣蠕動(dòng)，以到達(dá)期望的內(nèi)部位置，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位與信號(hào)采集，并且不需要重新植入。這種能力可以更有效地治療神經(jīng)和肌肉疾病，改善患者的療效，開(kāi)發(fā)更加智能且具適應(yīng)性的人機(jī)界面，并且更好地模擬生物系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

圖4磁場(chǎng)控制下神經(jīng)蠕蟲(chóng)對(duì)大腦和皮下筋膜的動(dòng)態(tài)探詢(xún)

5. 易于取出與重復(fù)使用

現(xiàn)有大多數(shù)可植入電極是被動(dòng)的，限制了它們?cè)谥踩牒笮阅軆?yōu)化的潛力。植入時(shí)通常需要打開(kāi)顱骨，這會(huì)造成嚴(yán)重的損傷，并給患者帶來(lái)康復(fù)風(fēng)險(xiǎn)。而神經(jīng)蠕蟲(chóng)可通過(guò)機(jī)械牽引安全取出，創(chuàng)傷小，感染風(fēng)險(xiǎn)低，適用于多次植入-取出場(chǎng)景。

圖5神經(jīng)蠕蟲(chóng)在大腦和脊髓液中的運(yùn)動(dòng)示意圖

結(jié)論與展望

本研究成功開(kāi)發(fā)出一種名為“神經(jīng)蚯蚓”的可移動(dòng)、可植入式多模態(tài)微纖維傳感平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了在神經(jīng)組織和肌肉中的長(zhǎng)期、動(dòng)態(tài)、多通道生物電與生物力學(xué)信號(hào)監(jiān)測(cè)。 該平臺(tái)具備優(yōu)異的機(jī)械柔韌性、生物相容性和磁控推進(jìn)能力，突破了傳統(tǒng)植入式電極不可移動(dòng)、易引發(fā)組織反應(yīng)等局限，為下一代動(dòng)態(tài)生物電子接口提供了切實(shí)可行的技術(shù)路徑。未來(lái)研究將聚焦于閉環(huán)控制策略、更高通道集成度以及更復(fù)雜的體內(nèi)環(huán)境適應(yīng)性?xún)?yōu)化，推動(dòng)下一代主動(dòng)式生物電子系統(tǒng)的發(fā)展。

論文全文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09344-w

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿

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