【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所陶虎研究員團隊在高適應性蠶絲蛋白神經(jīng)接口研究方面取得進展。團隊與上海交通大學醫(yī)學院附屬第六人民醫(yī)院合作，基于蠶絲蛋白材料開發(fā)了一種具有高度組織/器官適配性的植入式生物電子器件。在保留絲蛋白材料良好生物相容性的基礎上，利用蠶絲蛋白材料的超收縮特性與鍵合工藝實現(xiàn)了器件的水觸發(fā)可控幾何重構，進一步實現(xiàn)了器件與目標組織或器官在幾何結(jié)構與功能上的匹配。相關研究成果以“Tissue/Organ Adaptable Bioelectronic Silk-Based Implants”為題于2024年7月22日發(fā)表在學術期刊Advanced Materials上(Advanced Materials, 2024, 2405892；doi: 10.1002/adma.202405892)。
生物適配性是植入式生物電子器件最重要的屬性之一，包括但不限于生物相容性、力學匹配、幾何匹配與功能匹配等特征。蠶絲蛋白材料是制備生物醫(yī)學植入物的良好材料，并已得到臨床應用。其具有無生物毒性、不引起排異反應、體內(nèi)可降解、柔性、力學性質(zhì)可調(diào)及可實現(xiàn)功能化等優(yōu)秀性質(zhì)。但是以蠶絲蛋白為例的生物聚合物在用于制備生物電子器件時仍然面臨一定的風險與挑戰(zhàn)：(1)當前柔性電子器件往往通過被動形變的方式與目標組織或器官相貼合，貼附效果受限；(2)由于該類材料的溶解特性，制備于其表面的功能結(jié)構可能會隨其表面積膨脹而撕裂，因此無法在體長期工作。
針對以上挑戰(zhàn)，上海微系統(tǒng)所聯(lián)合上海交通大學醫(yī)學院附屬第六人民醫(yī)院基于蠶絲蛋白膜的超收縮特性確保了蛋白膜表面功能結(jié)構遇水不斷裂，結(jié)合多層蠶絲蛋白膜鍵合工藝和結(jié)構設計開發(fā)了形變可控的水觸發(fā)幾何重構蛋白薄膜，并通過微機電系統(tǒng)(MEMS)工藝與功能化蛋白膜實現(xiàn)了特定功能。
受爬藤植物啟發(fā)，研究團隊基于雙層可卷曲蠶絲蛋白膜及MEMS工藝進一步開發(fā)了一種用于外周神經(jīng)的螺旋電極，并在大鼠身上驗證了其電生理刺激、記錄功能以及中長期在體生物相容性。實驗表明，該電極可通過水觸發(fā)的方式實現(xiàn)幾何重構，從而緊密貼附于大鼠外周神經(jīng)并構成良好的生物-電子界面。在中長期在體植入后，未見電極導致的顯著排異反應發(fā)生。以上結(jié)果表明了多層幾何可重構蛋白膜在制備具有高度適配性的生物電子器件方面有很大的應用前景。
圖1.基于蠶絲蛋白的超收縮特性和鍵合工藝，該團隊開發(fā)了水觸發(fā)的幾何可重構蛋白膜，并在此基礎上結(jié)合MEMS工藝制備了遇水自卷曲的外周神經(jīng)電極并進行了相關實驗
該論文的第一作者為中科院上海微系統(tǒng)所朱子懿，上海交通大學醫(yī)學院附屬第六人民醫(yī)院嚴至文及中科院上海微系統(tǒng)所倪思遠為該論文的共同第一作者，通訊作者為中科院上海微系統(tǒng)所魏曉玲研究員、上海交通大學醫(yī)學院附屬第六人民醫(yī)院錢運副研究員和中科院上海微系統(tǒng)所柳克銀副研究員。該研究得到中科院上海微系統(tǒng)所陶虎研究員和上海交通大學醫(yī)學院附屬第六人民醫(yī)院范存義教授的指導和幫助。該研究獲得科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院基礎前沿科學研究計劃“從0到1”原始創(chuàng)新項目、上海市級重大專項、中科院上海分院基礎研究特區(qū)計劃等相關研究計劃的支持。
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