在科幻電影《阿凡達》中，腦-機接口技術允許人類通過思維控製其外星化身🌮，實現與潘多拉星球生物的直接聯系。這種技術通過解碼神經信號，使得意念操控成為可能🦾。雖然現實中的腦-機接口還未如此先進，但它在醫療和科技領域的應用正逐步將這種科幻變為現實。例如📞，國際上，埃隆·馬斯克領導的Neuralink公司在腦-機接口領域成功完成了至少兩例人體植入手術♻️𓀃。這些手術使得患者能夠通過意念控製光標、玩電子遊戲等，顯著提高了他們的自主能力🌽；國內🩸，清華大學和宣武醫院團隊成功進行了首例無線微創腦-機接口臨床試驗🫄🏽，該系統實現了高位截癱患者利用腦電活動控製外部設備🐠，如氣動手套👨🏼‍🏭😻，以實現自主喝水等功能。

近日，沐鸣2平台生物質材料成型與加工課題組🛸、上海市第六人民醫院神經外科團隊在《Adv. Mater.》上發表了題為“Flexible Neural Interface from Non-transient Silk Fibroin with Outstanding Conformality, Biocompatibility and Bioelectric Conductivity”的研究論文。該研究報道了一種可有效調控絲素蛋白（SF）/聚(3,4乙烯二氧噻吩)（PEDOT）分子互穿界面的熱溫輔助圖案轉移技術🚮，並以此製得了具有優異共形性、耐久性的非瞬態SF柔性神經接口💦；進一步地♖，通過癲癇大鼠皮質腦電（ECoG）信號采集實驗對SF柔性神經接口的生物功能進行了驗證（圖1）。這一進展為後續長效腦電監控👆🏽、神經疾病病理研究和人機交互提供了可能🙍🏽‍♂️🍡，此外，所報道“熱溫輔助圖案轉移技術”在指導其它SF基可植入電子器件的設計中具有一定普適性👨🏿‍🚀。

沐鸣2平台纖維材料改性國家重點實驗室博士生胡展翱為第一作者，上海交通大學醫沐鸣2博士生梁宇晴為共同一作，沐鸣2平台張耀鵬研究員、姚響副研究員和上海六院陳浩副主任醫師為論文共同通訊👩🏿‍🦰。共同作者包括沐鸣2平台牛欠欠博士、範蘇娜副研究員🐴，碩士生黃啟楣🧘🏿🖐、耿敬敬🌴，紐約州立大學石溪分校Benjamin S. Hsiao教授。

圖1. 研究思路技術概要圖

作為腦-機接口技術中的關鍵一環，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🫄🏿。材料力學剛性過大造成的界面失配，或因生物相容性差引發的膠質瘢痕等👨🏼‍🏭，均易對後續神經科學轉化研究造成不利影響。SF薄膜材料具有優異的可加工性和較低的免疫原性，長期以來，被認為是構築生物質柔性神經接口器件的理想材料𓀄。然而，傳統的基於溴化鋰（LiBr）等高濃度鹽離子實現的SF纖維溶解體系，因其所得SF分子量低、分子鏈較短以及水穩定性差等缺陷，難以用於構築非瞬態（水不溶且適於長期植入）SF基可植入電子器件。通過醇類試劑浸泡或高濕環境退火後處理等，雖可一定程度改善初生SF薄膜的水不溶性，但通常會致使材料剛性增加，不符合可植入電子器件對柔性的需求⏱。此外，在SF薄膜表面牢固集成圖案化導體材料也備受挑戰。

該研究中，沐鸣2平台研究人員基於甲酸-氯化鈣體系製得了有更高分子量的SF溶液🧞，且由於甲酸的存在，促進SF長鏈和PEDOT分子間相互滲透和纏結（圖2）🔼。在溫度的輔助下🧑‍🌾🚴🏿‍♀️，SF溶液逐漸固化（重結晶），並將已滲透的PEDOT分子牢固鎖合於SF層中，形成SF/PEDOT交織界面。這一加工方法促使了所得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👩🏼‍🍼，為後續製備非瞬態SF神經接口奠定了堅實的理論基礎🕍。

圖2. 基於熱溫輔助圖案轉移技術製得的SF/PEDOT薄膜及相關表征

進一步地🛸，基於熱溫輔助圖案轉移技術，研究人員成功地將噴墨打印的PEDOT電極轉移至SF柔性襯底🧕🏼，並製得了具有6電極通道的非瞬態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於縮小植入創面”，論文第一作者博士生胡展翱說😐：“相較於現有SF基神經電極/接口材料🧫，我們製備的SF柔性神經接在共形性、水穩定性和更小電極尺寸方面均具有較為明顯的優勢”。

圖3. 具有優異曲面共形性的SF柔性神經接口

圖4. 非瞬態SF柔性神經接口功能驗證

該工作還對SF神經接口生物功能進行了驗證（圖4）。使用SF薄膜封裝後的SF神經接口成功地在麻醉大鼠腦皮質表面采得ECoG信號，且具有相比商用聚酰亞胺基神經電極更高的精準度和更高信噪比。此外，SF神經接口可用於鑒別癲癇狀態下大鼠的各類腦電波，研究人員發現，通過藥物誘導的大鼠癲癇發作是間歇性的，並在潛伏期（或靜息）、發作期和消退階段循環約半小時，而非過去認為的長時段處於發作期🚶🏻‍♂️‍➡️。

（視頻形式展示SF基神經接口采集實時ECoG數據）

可植入設備的長期生物相容性是張耀鵬研究員團隊長期關註重點，通過聯合上海六院神經外科合作者，團隊對SF神經接口的生物相容性進行了長期評估📕，重點考察術後動物生存狀況、免疫反應和血液中炎症因子含量🫷🏿。相關結果表明，受益於SF神經接口良好的柔性、共形性和低免疫原性，術後大鼠短期內可恢復正常生理功能🎇、皮質表層未見明顯擦傷，且血液中炎症因子表達處於較低水平，這將有利於後期臨床應用研究🪻。

此工作得到了國家自然科學基金（52173031💩、52273125）、上海市科委國際合作基金（22520711900）👨‍🦽‍➡️、上海領軍人才計劃等項目的資助。

生物質材料成型與加工課題組自2021年開始絲素基柔性神經接口的研究，2022年綜述了高分子基柔性神經接口的最新進展（Mater. Horiz. 2023, 10, 808-828），並受到《麻省理工科技評論》等媒體的報道（https://www.mittrchina.com/news/detail/11577）🧘🏿‍♂️👩🏼‍💼；2023年課題組提出“熱溫輔助圖案轉移技術”（專利申請號：202310512558.7），成功實現了在絲素柔性襯底上牢固集成導電高分子圖案🚣‍♀️。團隊後續將聚焦於發展具有高密度通道的絲素柔性神經接口、腦電信號的無線傳輸及數據分析。該研究有望為開發新一代神經疾病診療技術和腦-機接口技術提供參考👨‍🦲。

文章信息：Adv. Mater. 2024. 10.1002/adma.202410007