Nature子刊：基于水凝胶的灵活脑机接口

韩国科学技术研究院(KAIST)的研究团队及其合作者开发了一种新的基于水凝胶的灵活脑机接口。为了研究大脑结构或识别和治疗神经系统疾病，开发一种能够刺激大脑并实时检测其信号的接口是非常重要的。然而，现有的神经界面在机械和化学上都与真正的脑组织不同。这会引起异物反应，并会在界面周围形成一层绝缘层(glial scar：胶质瘢痕)，从而缩短其使用寿命。

为了解决这个问题，Seongjun Park教授的研究团队通过将定制的多功能纤维束插入水凝胶体内，开发了一种“大脑模拟界面”。该设备不仅由用光控制特定神经细胞以执行光遗传学程序的光纤组成，而且还有一个用于读取大脑信号的电极束和一个将药物输送到大脑的微流体通道。

下图为多功能水凝胶混合探针的设计、制备和表征。(a)图为水凝胶混合探针设计的概念说明及其在减少对脑组织影响方面的应用。(b)、(c)图为水凝胶混合探针的制造，包括功能纤维单元的热拉伸(b)，以及纤维组件内水凝胶基质的一步直接聚合(c). (d)图为光波导、微电极阵列和微流体通道纤维的照片。(e)为水凝胶基质与多功能纤维组件整合后的水凝胶混合探针的照片。

当水凝胶变成固体时，界面很容易在干燥时插入身体。但是一旦进入体内，水凝胶就会迅速吸收体液并与周围组织的特性相似，从而最大限度地减少异物反应。

该研究团队将该设备应用于动物模型，并表明它可以检测长达6个月的神经信号，这远远超过了之前的记录。与现有设备相比，在自由移动的小鼠上进行长期的光遗传学和行为学实验也有可能显著减少胶质细胞和免疫激活等异物反应。

水凝胶混合探针的力学分析

上图(a)为由不锈钢、二氧化硅、PC 组成的纤维以及弯曲变形下的水凝胶混合探针的 Mises 应力分布。PC 纤维和具有完全溶胀和脱水水凝胶基质的混合探针的 FEA 结果的扩展视图。随着应力场的离散发展，膨胀的探针表现出单个聚合物纤维的机械隔离。

植入水凝胶混合探针的小鼠照片

研究人员表示:“这项研究意义重大，因为它是首次将水凝胶作为多功能神经界面探针的一部分，从而大大延长了它的寿命。”“随着我们的发现，我们期待在阿尔茨海默氏症或帕金森氏症等需要长期观察的神经系统疾病方面的研究取得进展。”

参考

The Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST). "'Hydrogel-based flexible brain-machine interface': The interface is easy to insert into the body when dry, but behaves 'stealthily' inside the brain when wet." ScienceDaily.

www.sciencedaily.com/releases/2021/07/210713093659.htm (accessed July 16, 2021).

Park, S., Yuk, H., Zhao, R. et al. Adaptive and multifunctional hydrogel hybrid probes for long-term sensing and modulation of neural activity. Nat Commun 12, 3435 (2021).

https://doi.org/10.1038/s41467-021-23802-9