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深圳先進院在可自展開智能柔性神經電極研發方面取得進展

2019-11-01

近日,中國科學院深圳先進技術研究院納米調控與生物力學研究中心杜學敏副研究員團隊和微納系統與仿生醫學研究中心的吳天準研究員團隊合作研發出新型可自適應形變的高密度寬幅柔性神經電極,在近人體體溫條件下可由微管狀態轉變為具有特定預設曲率的展開狀態,從而有效貼合曲面組織,有望提升神經電極的刺激效率。相關研究結果以論文Self‐Unfolding Flexible Microelectrode Arrays Based on Shape Memory Polymers(基于形狀記憶高分子的可自展開柔性電極陣列)在線發表于Advanced Materials Technologies上。杜學敏副研究員和吳天準研究員是該論文的共同通訊作者,杜學敏副研究員課題組的王娟助理研究員為論文第一作者。

基于神經電極刺激的人工視覺系統能夠恢復視網膜退行性疾病患者的部分感光能力和視覺能力,為患有黃斑病變等臨床上無法治療的致盲性疾病的失明患者帶來了巨大的福音。為獲得較好的刺激分辨率、刺激范圍和刺激效率,人工視覺系統的神經電極需具備高密度的電極位點、覆蓋視網膜較大的區域、且能有效貼合具有特定曲率的視網膜表面。為加工出具備以上特性的神經電極,需選取合適柔性基底,且電極必然有著較大的尺寸。然而,限于眼球內狹小空間和眼部植入手術可接受的較小切口尺寸,具有較大尺寸的神經電極面臨植入的極大困難。為解決以上矛盾,杜學敏研究團隊基于前期材料形變控制(Research, 2019, 2019, 6398296;Matter 2019, 1(3), 626; Advanced Materials, 2017, 29, 1702231;Advanced Materials Technologies, 2017, 2, 1700120)和形狀記憶高分子(Advanced Functional Materials, 2018, 28, 1801027;Journal of Materials Chemistry A, 2018, 6, 24748-24755)的研究經驗,創新性地將相變溫度在近人體體溫附近的醫用形狀記憶高分子用作高密度(126通道)寬幅柔性神經電極的功能化涂層(圖1a),從而賦予了神經電極的按需塑形和形變能力。

研究發現,具有形狀記憶高分子涂層的高密度寬幅神經電極可在室溫下塑形為直徑約為2毫米的微管臨時形狀,從而適用于眼球內的微創植入;在近人體體溫的溫度條件下,該電極可在類似人體眼球高黏度環境的硅油中自展開成具有預設曲率的永久形狀,從而有效貼合視網膜(圖1b)。這種神經電極由于有著較高密度的電極位點和較傳統電極更大的尺寸,有望獲得高分辨、寬可視角的刺激視野(圖1c)。并且,由于基底材料間合適的力學性能匹配度,這種高精度的神經電極在反復的卷曲和展開過程中依然可以保持較好的電極連接有效性。

該項研究報道的新型神經電極將極大希望改善目前人工視覺系統可獲得的刺激效率和刺激視野;并且這種基于智能材料進行功能化的設計思路將引導未來形狀自適應神經電極的研發,有望實現更高效的神經刺激和信號記錄。該研究工作得到了國家重點研發計劃(2017YFA0701303)、國家自然科學基金(21404116, 51903245)、廣東省(2015TQ01R292)、深圳市(JCYJ20180507182051636, KQJSCX20180330170232019)等科技項目資助。

論文鏈接

圖1 (a)具有形狀記憶高分子涂層的柔性神經電極示意圖。 (b) 自展開智能柔性神經電極的微創植入貼合視網膜示意圖。(c) 有效貼合在視網膜上高密度寬幅神經電極有望獲得更好的刺激效率和更寬的視野。

(來源:中國科學院深圳先進技術研究所



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