2019 年，馬斯克（Elon Musk）創立的公司 Neuralink，研發出高效實現腦機接口的策略：通過整合柔性聚合物探針、堅硬的植入針、以及植入機器人來實現。

在 Neuralink 演示中，該策略能從 1500 個電極中讀取信息，優于此前嵌入人體的體系 15 倍。

但是，塑料和彈性體的力學可調節性較小，其柔韌性仍然無法完全滿足用于柔軟腦組織表面的要求。

因此，制備一種與腦組織之間具有高機械和生物適配性的柔性腦機接口（BMI，Brain-machine interfaces）是非常重要的。

近年來，含水量高且具有三維網狀結構的水凝膠在生物醫學領域中的熱度很高，這主要是因為它呈現出與天然軟組織類似的結構。其中，導電水凝膠就因其良好的類組織性和生物親和性被廣泛應用于生物電子領域。

因此，西南交通大學材料科學與工程學院教授魯雄團隊，通過分子設計，制備出一款可導電的多功能水凝膠，借此實現了與腦組織接近的力學性能和生物學性能，剛性電子元件和柔軟腦組織之間的機械和生物學不匹配的難題得以解決。

該團隊表示：“我們已與法國 Dreem 公司開展了合作。Dreem 公司在其研發的新一代眼電圖和腦電圖信號生物電傳感器上，采用我們研發的柔性自粘附水凝膠作為可穿戴式柔性腦機接口。與商業電極比如濕電極 Ag/AgCl 和硅烷干電極相比，超軟水凝膠所記錄的腦電信號幾乎沒有偽影出現，呈現出較好的穩定性和準確性。”

此外，通過將休息狀態下的腦電圖進行快速傅里葉轉換后，可在 10 Hz 左右找到明顯的特征 α 波，有望用于跟蹤人體睡眠，從而提供有效改善睡眠狀況的 drug-free  新途徑，緩解現代人的神經衰弱癥狀等。

“另外，我們也希望將該水凝膠作為長期可植入式腦機接口，以用于監測神經性疾病患者，例如阿茲海默病、帕金森病、創傷性腦損傷等患者的腦電信號，這也是我們的初心。”研究人員表示。

概括來說，以此次制備的水凝膠作為導電界面，再集成柔性腦機接口，即可實現剛性微電路和柔軟腦組織的無縫聯接，為穩定、準確監測腦電信號的長期植入腦機接口材料提供一種設計思路。

1 月 27 日，相關論文以《具有與腦組織無縫貼合和免疫逃逸能力的生物粘附和導電水凝膠集成腦機接口》（Bioadhesive and conductive hydrogel-integrated brain-machine interfaces for conformal and immune-evasive contact with brain tissue）為題發表在 Matter 上，西南交通大學材料科學與工程學院魯雄教授和謝超鳴研究員、電子科技大學潘泰松副教授、中國海洋大學韓璐教授以及北京基礎醫學研究所江小霞副研究員擔任共同通訊作者。

該研究的背景在于，腦機接口為大腦和外界人造器械建立了直接溝通的橋梁，可用于監測大腦的功能，在神經性疾病的診斷和治療方面具有重大意義。

但是，腦組織是非常柔軟且脆弱的，而傳統的腦機接口通常利用由金屬制成的電極，這類電極是剛性的，從材料角度來講，這類固體電極與柔軟的腦組織之間存在機械失配的問題，再加上常規的電極缺乏組織粘附性，使得其無法與柔軟腦組織緊密貼合，在活動過程中易產生摩擦及脫落，隨之造成監測信號的不穩定和準確性。

再者，若是將該剛性腦機接口長期植入，剛性腦機接口與腦組織之間會產生機械失配問題，導致組織損傷。而且，傳統的腦機接口的生物性能不匹配會造成異體排斥反應，最終削弱信號的傳遞，從而縮短腦機接口在體內的服役壽命。

總之，傳統的剛性腦機接口無論在體內植入多久，都將提高疾病誤診的風險，這顯然是人們不想看見的。

為了解決該問題，已有研究者采用彈性體或柔性塑料制作柔性神經探針，以達到縮小腦組織和植入電子器械間的機械性能差異的愿景。

導電水凝膠是通過加入導電納米填料制備而成的，但是高含量的導電納米填料易團聚，從而影響水凝膠的導電性、透明度和粘附性。

其中，不透明的導電水凝膠是無法在臨床手術中透過腦機接口實時觀察植入部位的（例如，出血情況或水腫），從而不能及時對患者身體情況有全面了解，存在加重患者病情的風險。

而缺乏組織粘附性的導電水凝膠無法穩定地與腦組織表面貼合，因此容易造成組織摩擦及信號監測失效等問題。

基于此，該團隊于 2017 年展開本次研究，歷經如下階段：

第一步，選材與材料設計。

導電水凝膠結合了導電高分子與水凝膠兩方面性能，在許多方面具有潛在應用前景。但導電高分子由于其分子結構導致的疏水特性，使其難于復合在水凝膠網絡中。

基于團隊前期在仿貽貝化學構筑多功能水凝膠的豐富經驗，該項研究工作巧妙地采用雙鍵化多巴胺限域聚合3，4 -乙烯二氧噻吩（EDOT），制備了親水超小的導電高分子納米顆粒（dPEDOT NPs），并將其引入到卡拉膠-聚多巴胺-聚丙烯酰胺網絡中制備了導電、透明水凝膠。

dPEDOT NPs 能夠在水凝膠網絡中構建動態氧化還原系統，維持水凝膠中兒茶酚氧化還原動態平衡，從而賦予水凝膠與腦組織同水平的模量（小于1kPa）及良好的組織粘附性。

同時，在水凝膠中引入兒茶酚官能團，能夠賦予導電水凝膠獨特的主動免疫逃逸能力，使其具有降低神經炎癥和抑制纖維組織增生的功能，避免 FBR 及纖維囊的形成。

dPEDOT NPs 中的動態酚-醌轉換，水凝膠原位自固化，能夠在保持電路完整性的同時，實現微電路的轉印，最終集成水凝膠基腦機接口，其能夠與腦組織的無縫貼合，從而實現信號穩定傳輸。

第二步，水凝膠性能評估。

為了檢測水凝膠的超軟特性，該團隊設計多種實驗，如將水凝膠置于各種彎曲的表面進行貼合測試，發現該柔軟的水凝膠緊密纏繞在圓柱體表面，也可以在凹凸不平的金屬表面及新鮮的腦組織實現無縫貼合，這是傳統的橡膠材料與和聚丙烯酰胺（PAM）水凝膠無法實現的。

其還通過萬能力學試驗機、流變儀對水凝膠的粘彈性、模量等力學指標進行了量化測試，結果也證明了該水凝膠具有腦組織水平的超低模量。

其次，對水凝膠的體內、外組織粘附性進行測試，結果表明，水凝膠濕組織均具有良好的粘附性，同時在使用完畢后可以輕易從大腦表面無損取下，不會對腦組織造成傷害。因此，水凝膠的性能已初步滿足用于短期顱內腦電信號監測的植入式腦機接口。

隨后，為了驗證水凝膠長期植入會是否會導致 FBR 和水凝膠臨床中復雜情況，如炎癥環境下的腦電信號監測等，將水凝膠植入皮下觀察宿主免疫反應，對 FBR 標記物進行熒光染色后，水凝膠能夠通過降低周圍組織的炎癥和纖維組織增生，進而實現免疫逃逸。

進而，為了探究水凝膠與腦部組織的相互作用，將水凝膠植入腦組織上，通過蘇木素-伊紅染色（病理組織切片最經常最廣泛使用的一種常規染色法）和動物飲食行為、情緒評估等，證實植入式水凝膠腦機接口具有出色的生物相容性，不會對腦組織造成損傷，并在植入后可被無損取出。

另據悉，該團隊還和北京軍事醫學研究院江小霞老師合作，采用輕度創傷性腦損傷（mTBI）模型評估水凝膠對神經炎癥的抑制作用，用于評估材料與腦組織相互作用。

通過對大腦皮層和海馬區的星膠和小膠標志物進行免疫熒光染色，發現水凝膠能夠有效降低神經炎癥實現腦組織處免疫逃逸。至此，該水凝膠可滿足可植入式腦機接口臨床需求。

綜合以上性能評估，證實此次設計的水凝膠基腦機接口材料具有以下優點：良好的導電性、濕環境下對大腦的粘附性、類大腦的超軟特性、免疫活性、植入體內后性能的穩定性等。

第三步，材料應用。

基于以上優異性能，為了全方位評估該水凝膠作為腦機接口的應用潛力，研究人員與電子科大合作開展水凝膠原位轉印電路構建的植入式腦機接口，其可以準確地記錄顱內皮層腦電信號（ECoG）。

如前所述，他們還和法國 Dreem 公司合作，將水凝膠與柔性電路集成形成具有粘附性的水凝膠腦機接口，作為可穿戴式電極，采集頭皮腦電信號（腦電圖）。

研究人員表示，該研究的內容重點工作在于材料體系的設計，在其作為腦機接口方面做了初步的嘗試。

后期，該團隊將繼續圍繞這一課題進行更加系統和深入研究，并將嘗試解決水凝膠腦機接口生物降解問題，避免植入后的二次取出造成的組織損傷。

其次，將對水凝膠腦機接口在長期腦電信號監測、并未對動物的行為學進行過多的評價，除了常見的開放曠場實驗，水迷宮、新物體識別、懸尾、強迫游泳等，對動物認知學習能力或情緒的評價也是非常重要的，例如，監測創傷性損傷大鼠腦電信號的同時，對其行為學進行評估，從表型觀察水凝膠基腦機接口對神經炎癥的抑制作用，并探索對腦組織的修復情況。

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參考：
1、Wang, X., Sun, X., Gan, D., Soubrier, M., Chiang, H. Y., Yan, L., ... & Lu, X. (2022). Bioadhesive and conductive hydrogel-integrated brain-machine interfaces for conformal and immune-evasive contact with brain tissue. Matter.