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長(zhǎng)春應(yīng)化所張強(qiáng)研究員課題組與合作者《Adv. Mater.》: 拓?fù)渌z腦神經(jīng)電極用于腦信號(hào)監(jiān)測(cè)、神經(jīng)調(diào)控和中風(fēng)治療
2023-12-06  來(lái)源:高分子科技


  中風(fēng)通常導(dǎo)致偏癱甚至死亡,盡管目前的臨床方法可以控制中風(fēng)的病情,但仍難以實(shí)現(xiàn)完全康復(fù)。新興的腦機(jī)接口有望調(diào)節(jié)大腦神經(jīng)回路,促進(jìn)大腦功能紊亂的恢復(fù)?芍踩胩结樤谀X機(jī)接口中發(fā)揮著關(guān)鍵作用,但在導(dǎo)電性和模量匹配/透光性之間存在兩種不可調(diào)和的權(quán)衡。因此,開(kāi)發(fā)具有良好導(dǎo)電性、組織模量匹配性以及透光性的可植入神經(jīng)探針以實(shí)現(xiàn)神經(jīng)退行性疾病(如中風(fēng))的診療仍具有極大挑戰(zhàn)性。


1. 拓?fù)渌z結(jié)構(gòu)、性能和作為植入式神經(jīng)探針的應(yīng)用示意圖。


  近期,長(zhǎng)春應(yīng)化所張強(qiáng)研究員與解放軍聯(lián)勤保障部隊(duì)第989醫(yī)院常祺主任醫(yī)師合作,通過(guò)在拓?fù)渌z中引入機(jī)械互鎖的聚輪烷結(jié)構(gòu)(PR-PEGMA)作為水凝膠的交聯(lián)劑PR-PEGMA含有聚乙二醇(PEG)骨架和15個(gè)具有PEGMA側(cè)鏈的環(huán)糊精(CDs)。這15個(gè)CDsPEG骨架串接,然后由大的基團(tuán)封端。CD交聯(lián)位點(diǎn)像滑輪一樣沿著PEG鏈自由滑動(dòng),產(chǎn)生低彈性模量和更大的強(qiáng)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(dǎo)電填料以獲得良好的導(dǎo)電性,PEDOT沿著CDs上的PEG鏈排列導(dǎo)致高導(dǎo)電性。此外,CDsPEG主鏈上的滑動(dòng)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(jìn)一步證明了拓?fù)渌z是作為理想的可植入神經(jīng)探針,用于獲取大腦信號(hào)、調(diào)節(jié)大腦神經(jīng)回路和治療中風(fēng)。 


2. 拓?fù)渌z的制備及力學(xué)、電化學(xué)學(xué)性能表征。 


3. 拓?fù)渌z的生物相容性表征。

  通過(guò)對(duì)拓?fù)渌z(AP6P1H)進(jìn)行力學(xué)性能、電化學(xué)學(xué)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(dǎo)電性,這些性能支持了長(zhǎng)期記錄腦神經(jīng)信號(hào)、進(jìn)行神經(jīng)調(diào)控的可能性。 


4. 拓?fù)渌z神經(jīng)探針在腦神經(jīng)信號(hào)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。


  通過(guò)使用AP6P1H連續(xù)記錄了8周大鼠處于睡眠狀態(tài)下LFP信號(hào)并記錄夾尾刺激下體感誘發(fā)電位,驗(yàn)證了AP6P1H電極記錄各種振蕩節(jié)律的優(yōu)異能力和長(zhǎng)期記錄信號(hào)的能力,其在調(diào)節(jié)大腦神經(jīng)回路和解碼神經(jīng)傳遞信息方面具有重要應(yīng)用。 


5. 拓?fù)渌z神經(jīng)探針在光遺傳學(xué)調(diào)控中的應(yīng)用。


  光遺傳學(xué)神經(jīng)調(diào)控通過(guò)直接調(diào)節(jié)靶向腦功能區(qū),為治療腦功能紊亂提供了有前景的技術(shù)。AP6P1H可同時(shí)作為光纖和電極,當(dāng)用藍(lán)色脈沖激光(473 nm)刺激M1區(qū)域時(shí),可以獲得清晰的LFP信號(hào),在神經(jīng)調(diào)控的4周內(nèi)未觀察到明顯的信號(hào)衰減。此外,將藍(lán)色脈沖(20 Hz20 mW)施加到大鼠的M1區(qū)域時(shí),在大鼠進(jìn)行相應(yīng)的肢體行為時(shí),能同時(shí)觀察到相應(yīng)的LFP信號(hào),這些結(jié)果證明了AP6P1H的光遺傳學(xué)神經(jīng)調(diào)控能力,可用于后續(xù)治療中風(fēng)。 


6拓?fù)渌z神經(jīng)探針在光遺傳治療中風(fēng)中的應(yīng)用。


  光遺傳學(xué)調(diào)節(jié)可以選擇性地觸發(fā)或抑制特定的神經(jīng)元和神經(jīng)回路,以促進(jìn)軸突發(fā)芽并重新連接大腦回路。首先建立局灶性大腦中動(dòng)脈栓塞模型(MCAO,對(duì)中風(fēng)大鼠進(jìn)行為期12天的連續(xù)光遺傳學(xué)調(diào)節(jié),通過(guò)23,5-三苯基氯化四氮唑(TTC染色,NeuN、缺氧誘導(dǎo)因子-1HIF-1α)免疫熒光分析以及三種行為學(xué)測(cè)試(旋轉(zhuǎn)梁測(cè)試、轉(zhuǎn)角(corner turn tests)和前肢放置測(cè)試),這些結(jié)果都證明了光遺傳學(xué)調(diào)控在促進(jìn)中風(fēng)大鼠運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)中的重要作用。
該成果“Topological Hydrogels for Long-Term Brain Signal Monitoring, Neuromodulation, and Stroke Treatment”為題發(fā)表在《Advanced Materials》上,該論文第一作者為長(zhǎng)春應(yīng)化所博士研究生沈珍珍,中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)化所張強(qiáng)研究員與聯(lián)勤保障部隊(duì)第989醫(yī)院常祺主任醫(yī)師為共同通訊作者。該論文得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(22377122、U22A20183)和吉林省科技發(fā)展計(jì)劃(20230204107YY、20210509036RQ)的資助。


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

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