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通讯作者：Xiaoxia Jiang；韩璐；潘泰松；谢超鸣；鲁雄 通讯单位：北京基础医学研究所；中国海洋大学；电子科技大学；西南交通大学 脑机接口(BMI)可实现大脑和外部机器之间的通信。然而，机械和生物的不匹配，以及硬电子设备和软脑组织之间微弱的物理粘附诱导的转移，通常会触发宿主免疫反应，影响信号记录，降低临床BMI的寿命。 生物激发水凝胶，如贻贝激发的聚多巴胺(PDA)水凝胶，对生物组织具有高粘附性和亲和力，为设计生物黏合剂BMI装置提供了一个有希望的起点。 基于此，西南交通大学鲁雄教授、谢超鸣教授和电子科技大学潘泰松教授、中国海洋大学韩璐及北京基础医学研究所Xiaoxia Jiang合作通过原位自定工艺将水凝胶(多巴胺甲基丙烯酸酯杂化的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)纳米颗粒(dPEDOT NP)的高导电性水凝胶)与柔性微电路集成，设计开发了一种生物粘接剂超软BMI。
(A)制备工艺:先将水凝胶前驱体浇铸在柔性微电路衬底上，再与柔性微电路集成。 (B)结合水凝胶的BMI具有超软、导电和透明的特性。 (C)生物黏附超软BMI对软组织和金属基质的黏附机理。 (D)生物粘连超软BMI的免疫回避行为。 (E)柔性微电路被从刚性塑料薄膜转移到超软水凝胶。 (F、G)在作者额头上附着超软水凝胶集成微电路，然后将其剥离。 (H)水凝胶集成微电路无缝贴合软猪脑组织。 (I)无损地剥离水凝胶集成微电路。 (J)通过透明水凝胶集成微电路可以看到潜在的组织损伤。用红墨水液来模拟出血模型。 (K)不同组成水凝胶的透光光谱。 (L)水凝胶对猪皮的重复粘附强度。 相关工作以“Bioadhesive and conductive hydrogelintegrated brain-machine interfaces for conformal and immune-evasive contact with brain tissue”为题发表在Matter上。
图2. 水凝胶的机械和电气性。 (A和B)超柔软性是通过(A)将水凝胶包裹在圆筒上和(B)将水凝胶粘附在凹槽上来证明的。 (C) 0.06wt% dPEDOT-CA-PDA-PAM水凝胶和PAM水凝胶附着在新鲜猪脑组织上的照片。蓝色箭头为PAM水凝胶与脑组织界面处的气泡和间隙。红色箭头表示正形dPEDOT-CA-PDA-PAM水凝胶与脑的接触。 (D) dPEDOT-CA-PDA-PAM水凝胶与大脑界面横截面的显微图像。红色箭头表示dPEDOT-CA-PDA-PAM水凝胶与脑组织之间的无缝接触。 (E)水凝胶的存储模量(G0)作为频率的函数。 (F) 0.06wt% dPEDOT-CA-PDA-PAM(不含交联剂BIS)水凝胶的阶跃应变测量，交替阶跃应变从一个小应变切换(1%)到大应变(300%)。 (G) 0.06wt% dPEDOT-CA-PDA-PAM水凝胶在固定频率1 Hz、应变幅度1%下的凝胶动力学。 (H)水凝胶典型的拉伸应力-应变曲线。 (I)不同dPEDOT NPs含量水凝胶的断裂能。 (J) 0.06wt% dPEDOT-CA-PDA-PAM水凝胶的模量和粘附强度与报道的导电水凝胶的比较。 (K)一块鸡肉的表面上点亮了粘在超软水凝胶上的LED灯阵列。 (L)不同组成水凝胶的电导率。 (M) 0.06wt% dPEDOT-CA-PDA-PAM水凝胶对人体皮肤的界面电阻。 要点1. 作者将甲基丙烯酸多巴胺(DMA)-杂化聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)纳米颗粒(dPEDOT NPs)加入到卡拉胶(CA)互穿的PDA-聚丙烯酰胺(CA-PDA-PAM)网络中制备。dPEDOT-CA-PDA-PAM水凝胶是超软的，模量低于1 kpa，具有大脑水平的模量，可以减少其与脑组织的机械差异，实现了与周围脑组织的机械和谐。水凝胶具有免疫回避能力，能积极预防植入后纤维组织包裹和神经炎症。 要点2. 结合水凝胶的BMI显示出与底层脑组织的强大粘附性，能够与金属微电路紧密集成，并与脑组织无缝粘附，用于记录ECoG，使用后可以无损去除，这是因为水凝胶上的儿茶酚基团可以与组织形成各种非共价键和共价键。 要点3. 体内植入后，结合水凝胶的BMI可以积极抑制炎症，减少FBR，防止纤维包裹，保证可靠的神经信号转导。 这种免疫回避水凝胶为设计生物粘接性超软性脑损伤提供了新的机会，这种超软性脑损伤可与大脑进行无损、适形和稳定的接触。
图3. 超软BMI适形贴附于大脑皮层，用于颅内ECoG信号监测。 (A和B)水凝胶集成生物粘接剂超软BMI示意图(A)和照片(B)。 (C)生物粘接剂超软BMI和商品螺钉电极的手术操作和定位。 (D) PAM和dPEDOT-CA-PDA-PAM水凝胶综合BMI记录的代表性ECoG信号。 (E) PAM和dPEDOT-CA-PDA-PAM水凝胶综合BMI记录的ECoG信号的相关系数。 (F) SSVEP实验装置示意图。 (G) SSVEP实验中螺旋电极(左)和dPEDOT-CA-PDA-PAM水凝胶结合BMI(右)采集的ECoG信号的功率谱和相应的信噪比值。 链接： https:///10.1016/j.matt.2022.01.012 |
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