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長春應化所張強研究員課題組與合作者《Adv. Mater.》: 拓撲水凝膠腦神經電極用于腦信號監測、神經調控和中風治療

2023-12-06 來源：高分子科技

中風通常導致偏癱甚至死亡，盡管目前的臨床方法可以控制中風的病情，但仍難以實現完全康復。新興的腦機接口有望調節大腦神經回路，促進大腦功能紊亂的恢復。可植入探針在腦機接口中發揮著關鍵作用，但在導電性和模量匹配/透光性之間存在兩種不可調和的權衡。因此，開發具有良好導電性、組織模量匹配性以及透光性的可植入神經探針以實現神經退行性疾病（如中風）的診療仍具有極大挑戰性。

圖1. 拓撲水凝膠結構、性能和作為植入式神經探針的應用示意圖。

近期，長春應化所張強研究員與解放軍聯勤保障部隊第989醫院常祺主任醫師合作，通過在拓撲水凝膠中引入機械互鎖的聚輪烷結構（PR-PEGMA）作為水凝膠的交聯劑。PR-PEGMA含有聚乙二醇（PEG）骨架和15個具有PEGMA側鏈的環糊精（CDs）。這15個CDs由PEG骨架串接，然后由大的基團封端。CD交聯位點像滑輪一樣沿著PEG鏈自由滑動，產生低彈性模量和更大的強度。在水凝膠中使用聚（3，4-亞乙基二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸鹽）（PEDOT:PSS）作為導電填料以獲得良好的導電性，PEDOT沿著CDs上的PEG鏈排列導致了高導電性。此外，CDs在PEG主鏈上的滑動作用減少了PEDOT鏈的聚集，從而減少了PEDOT與光波相互作用，提高水凝膠透光性。并進一步證明了拓撲水凝膠是作為理想的可植入神經探針，用于獲取大腦信號、調節大腦神經回路和治療中風。

圖2. 拓撲水凝膠的制備及力學、電化學學性能表征。

圖3. 拓撲水凝膠的生物相容性表征。

通過對拓撲水凝膠（AP₆P₁H）進行力學性能、電化學學性能和生物相容性表征，證明了AP₆P₁H具有良好的生物相容性和高導電性，這些性能支持了長期記錄腦神經信號、進行神經調控的可能性。

圖4. 拓撲水凝膠神經探針在腦神經信號監測中的應用。

通過使用AP₆P₁H連續記錄了8周大鼠處于睡眠狀態下的LFP信號并記錄夾尾刺激下體感誘發電位，驗證了AP₆P₁H電極記錄各種振蕩節律的優異能力和長期記錄信號的能力，其在調節大腦神經回路和解碼神經傳遞信息方面具有重要應用。

圖5. 拓撲水凝膠神經探針在光遺傳學調控中的應用。

光遺傳學神經調控通過直接調節靶向腦功能區，為治療腦功能紊亂提供了有前景的技術。AP₆P₁H可同時作為光纖和電極，當用藍色脈沖激光（473 nm）刺激M1區域時，可以獲得清晰的LFP信號，在神經調控的4周內未觀察到明顯的信號衰減。此外，將藍色脈沖（20 Hz，20 mW）施加到大鼠的M1區域時，在大鼠進行相應的肢體行為時，能同時觀察到相應的LFP信號，這些結果證明了AP₆P₁H的光遺傳學神經調控能力，可用于后續治療中風。

圖6. 拓撲水凝膠神經探針在光遺傳治療中風中的應用。

光遺傳學調節可以選擇性地觸發或抑制特定的神經元和神經回路，以促進軸突發芽并重新連接大腦回路。首先建立局灶性大腦中動脈栓塞模型（MCAO），對中風大鼠進行為期12天的連續光遺傳學調節，通過2，3，5-三苯基氯化四氮唑（TTC）染色，NeuN、缺氧誘導因子-1（HIF-1α）免疫熒光分析以及三種行為學測試（旋轉梁測試、轉角（corner turn tests）和前肢放置測試），這些結果都證明了光遺傳學調控在促進中風大鼠運動功能恢復中的重要作用。
該成果以“Topological Hydrogels for Long-Term Brain Signal Monitoring, Neuromodulation, and Stroke Treatment”為題發表在《Advanced Materials》上，該論文第一作者為長春應化所博士研究生沈珍珍，中國科學院長春應化所張強研究員與聯勤保障部隊第989醫院常祺主任醫師為共同通訊作者。該論文得到了國家自然科學基金（22377122、U22A20183）和吉林省科技發展計劃（20230204107YY、20210509036RQ）的資助。

論文信息：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202310365

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（責任編輯：xu）

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