噴墨打印技術在打造新柔性腦機接口實現高精度神經信號采集中的應用
東華大學纖維材料改性國家重點實驗室張耀鵬教授聯合上海市第六人民醫院神經外科，基于MicroFab Jetlab 4高精度噴墨打印系統，成功開發出全球領先的非瞬態絲素蛋白（SF）柔性神經接口。隨著腦機接口技術的不斷發展，實現用意念操控外部設備的科幻場景正逐步變為現實，研究成功采集了具有更高精準度和更低信噪比的大鼠皮質腦電（ECoG）信號，為后續長效腦電監控、神經疾病病理研究和人機交互提供了解決方案。
正文
作為腦-機接口技術的關鍵一環，神經接口器件的性能很大程度上決定了所采集電生理信號的質量。絲素蛋白（SF）薄膜因其優異的柔性、可加工性和較低的免疫原性，被認為是構建生物質柔性神經接口器件的理想材料。然而，如何在SF薄膜表面牢固集成圖案化導體材料是一個挑戰。為了解決這一問題，東華大學張耀鵬教授團隊將噴墨打印技術與熱輔助圖案轉移相結合，利用MicroFab Jetlab 4高精度噴墨打印系統成功制備了一種基于絲素蛋白的高效、安全的多通道神經接口，如圖1所示。該接口可用于緩解炎癥、記錄大鼠模型中的皮質腦電（ECoG）信號，且具有優異的組織順應性、生物相容性和生物電導率，有望開發出一種高效和安全的“一體化”神經接口。
▲ 圖1 基于SF神經接口的研究思路
在研究中，研究人員基于甲酸-氯化鈣體系制得了有更高分子量的SF溶液。甲酸的存在促進SF長鏈和PEDOT分子間相互滲透和纏結（如圖2）。在溫度的輔助下，SF溶液逐漸固化（重結晶），將已滲透的PEDOT分子牢固鎖合于SF層中，形成SF/PEDOT交織界面。這一加工方法賦予了所得SF/PEDOT材料本征非瞬態特性，其交織界面極大地保證了PEDOT導電層的高電導率和濕態環境下的耐受性，為后續制備非瞬態SF神經接口奠定了堅實的理論基礎。
▲ 圖2 SF/PEDOT 薄膜的制備
基于熱溫輔助圖案轉移技術，研究人員成功將噴墨打印的PEDOT電極轉移至SF柔性襯底，制備了具有6通道電極的非瞬態SF柔性神經接口（圖3）。神經接口器件前端采集點尺寸越小，所采得腦電信號越精確。此外，更小的器件尺寸也利于縮小植入創面。與現有SF基神經電極/接口材料相比，本研究制備的SF柔性神經接口在共形性、水穩定性和更小電極尺寸方面具有明顯的優勢。
▲ 圖3 基于SF的神經接口的制備
本研究還對SF神經接口生物功能進行了驗證（圖4）。使用SF薄膜封裝后的SF神經接口成功地在麻醉大鼠腦皮質表面采得ECoG信號，且與商用聚酰亞胺基神經電極相比，具有更高的精準度和更高的信噪比。實驗結果表明，通過藥物誘導的大鼠癲癇發作是間歇性的，并在潛伏期（或靜息）、發作期和消退階段循環約半小時，而非通常認為的長時段處于發作期。這證實了非瞬態SF柔性神經接口可鑒別癲癇狀態下大鼠的各類腦電波。
▲ 圖4 體內記錄ECoG信號和癲癇樣活動
針對非瞬態SF柔性神經接口的生物相容性這一關鍵問題，研究團隊圍繞術后動物生存狀況、免疫反應和血液中炎癥因子含量進行了重點考察評估，如圖5所示，以PI貼片（PI膜用作基材，PEDOT：PSS噴墨打印電極）為對照組，相關結果表明，SF神經接口具有良好的柔性、共形性和低免疫原性，術后大鼠短期內可恢復正常生理功能、皮質表層未見明顯擦傷，且血液中炎癥因子表達處于較低水平，這將有利于后期臨床應用研究。因此，這些長期生物相容性和非瞬時SF潛在功能化的增強有望開發出一種高效和安全的“一體化”神經接口。
▲ 圖5 體內生物相容性和炎癥評估
基于MicroFab Jetlab 4高精度噴墨打印系統實現了在液體生物環境下電性增強的穩定PEDOT電極與柔性非瞬態SF薄膜基材的牢固集成，從而制備了具有良好導電性、保形性和生物相容性的SF神經接口。該接口可在大鼠模型中高效檢測ECoG信號和癲癇樣活動，并緩解炎癥。隨著制造的進一步發展和優化，未來該非瞬態SF的生物電子設備有望實現更多一體化功能的應用，如健康監測、實時藥物輸送以及腦機接口等生物醫學和康復領域，為長效腦電監控、神經疾病病理研究和人機交互提供了解決方案。
參考文獻：
[1] Hu Z, Liang Y, Fan S, et al. Flexible Neural Interface From Non‐Transient Silk Fibroin With Outstanding Conformality, Biocompatibility, and Bioelectric Conductivity[J]. Advanced Materials, 2024, 36(46): 2410007.
