傳統(tǒng)剛性探針與腦組織之間存在嚴重的機械不匹配，從而引發(fā)腦內(nèi)免疫反應(yīng)，阻礙了信號采集的長期穩(wěn)定性。先前的研究已經(jīng)制定了各種策略來減輕術(shù)后異物反應(yīng)，包括減小探針尺寸，使用可移動或可生物降解的涂層，以及響應(yīng)性基底。然而，減小探針尺寸需要在增加的易彎曲性和穿透精確度之間權(quán)衡。并且，這些探針必須在整個穿透過程中保持剛性，增加了插入探針期間出血的風(fēng)險，引起臨床可行性方面的擔(dān)憂。盡管先進的精密設(shè)備可以在光學(xué)引導(dǎo)系統(tǒng)或高靈敏度機械傳感器的幫助下降低血管損傷的風(fēng)險，但它們對復(fù)雜設(shè)計、制備和專業(yè)化要求的依賴給實施帶來了挑戰(zhàn)。開發(fā)一種在植入過程中變得柔順的探針似乎可以避免術(shù)中出血。然而，彎曲剛度不足使得這種探針在推力作用下極易變形，而不是像預(yù)期的那樣植入目標腦區(qū)。
為了進一步測試防止術(shù)中出血的單軸延伸神經(jīng)電極的實際應(yīng)用性能，真實的觀測電極在植入過程中避開血管的能力，作者利用超維景自主研發(fā)的高分辨型微型化雙光子顯微鏡（FHIRM-HR），成功記錄到電極植入避開血管到電極退出的全過程。
2024年06月，南京醫(yī)科大學(xué)胡本慧團隊在國際著名期刊npj Flex Electron上發(fā)表題為“Uniaxial extending neural probes for bleeding-absent implantation"的研究論文。利用微型化雙光子成像技術(shù)等技術(shù)，成功觀測到了防止術(shù)中出血的單軸延伸神經(jīng)電極在植入過程中防止出血的功能。
論文上線截圖
作者利用縱向平行骨架間分子鏈間相互作用抑制探針橫向弛豫，構(gòu)建了一種可單軸延伸的神經(jīng)探針。該神經(jīng)探針具備優(yōu)異的機械順應(yīng)性，同時在無出血情況下，沿主軸方向自行植入。并且，植入前彎曲剛度高以順利刺破大腦表面，植入后彎曲剛度低以增強機械順應(yīng)性。探針主干由PEDOT在預(yù)定向PEG-DA支架中自組裝構(gòu)成。帶正電的PEDOT鏈沿著含有帶負電PSS的支架平行排列，產(chǎn)生強烈的鏈間相互作用。隨后的脫水使PEDOT和PEG-DA之間的鏈距減小，鏈間相互作用增強。因此，骨架截面方向的擴張被全面限制(面內(nèi)變形抑制效應(yīng))，使我們的探針能夠沿著植入主軸保持延伸(圖1)。
圖1. UENPs的設(shè)計和工作原理
作者利用微型化雙光子顯微鏡體積小安裝靈活的特點，觀察活體大鼠大腦皮層表層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進而監(jiān)測探針植入軌跡中的血管狀況（圖2）。在UENP的插入和收回過程中，微血管（直徑約90 μm）的位移是可以忍受和安全的，而不是被植入物強行推或拖走，直到血管破裂。這是因為UENP橫向擴張被抑制，從而使施加在血管上的額外壓力最小化，所以血管與UENP之間的摩擦減少。作者還使用顆粒圖像測速(PIV)分析了一些毛細血管后小靜脈(直徑小于20 μm) 的位移。其中近端血管最大位移為8 μm，遠端血管最大位移為5 μm。這些毛細血管后小靜脈非常脆弱，但未見破裂。然而，硅基探針和植入臨時硬化探針在植入過程中均發(fā)生明顯的出血。作者還在體外模擬了植入過程，進一步證明了UENP對血管的安全性。
圖2. UENPs植入過程中血管的時空編排
【參考文獻】
Ren, X., Bai, W., Chen, S. et al. Uniaxial extending neural probes for bleeding-absent implantation. npj Flex Electron 8, 36 (2024)
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