☰

聚多巴胺+PEDOT新用途~水凝膠腦機接口！

通訊作者：Xiaoxia Jiang；韓璐；潘泰鬆；謝超鳴；魯雄

通訊單位：北京基礎醫學研究所；中國海洋大學；電子科技大學；西南交通大學

腦機接口(BMI)可實現大腦和外部機器之間的通信。然而，機械和生物的不匹配，以及硬電子設備和軟腦組織之間微弱的物理粘附誘導的轉移，通常會觸發宿主免疫反應，影響信號記錄，降低臨牀BMI的壽命。

生物激發水凝膠，如貽貝激發的聚多巴胺(PDA)水凝膠，對生物組織具有高粘附性和親和力，爲設計生物黏合劑BMI裝置提供了一個有希望的起點。

基於此，西南交通大學魯雄教授、謝超鳴教授和電子科技大學潘泰鬆教授、中國海洋大學韓璐及北京基礎醫學研究所Xiaoxia Jiang合作通過原位自定工藝將水凝膠(多巴胺甲基丙烯酸酯雜化的聚(3,4-乙烯二氧噻吩)納米顆粒(dPEDOT NP)的高導電性水凝膠)與柔性微電路集成，設計開發了一種生物粘接劑超軟BMI。

(A)製備工藝:先將水凝膠前驅體澆鑄在柔性微電路襯底上，再與柔性微電路集成。

(B)結合水凝膠的BMI具有超軟、導電和透明的特性。

(C)生物黏附超軟BMI對軟組織和金屬基質的黏附機理。

(D)生物粘連超軟BMI的免疫迴避行爲。

(E)柔性微電路被從剛性塑料薄膜轉移到超軟水凝膠。

(F、G)在作者額頭上附着超軟水凝膠集成微電路，然後將其剝離。

(H)水凝膠集成微電路無縫貼合軟豬腦組織。

(I)無損地剝離水凝膠集成微電路。

(J)通過透明水凝膠集成微電路可以看到潛在的組織損傷。用紅墨水液來模擬出血模型。

(K)不同組成水凝膠的透光光譜。

(L)水凝膠對豬皮的重複粘附強度。

相關工作以“Bioadhesive and conductive hydrogelintegrated brain-machine interfaces for conformal and immune-evasive contact with brain tissue”爲題發表在Matter上。

圖2. 水凝膠的機械和電氣性。

(A和B)超柔軟性是通過(A)將水凝膠包裹在圓筒上和(B)將水凝膠粘附在凹槽上來證明的。

(D) dPEDOT-CA-PDA-PAM水凝膠與大腦界面橫截面的顯微圖像。紅色箭頭表示dPEDOT-CA-PDA-PAM水凝膠與腦組織之間的無縫接觸。

(E)水凝膠的存儲模量(G0)作爲頻率的函數。

(F) 0.06wt% dPEDOT-CA-PDA-PAM(不含交聯劑BIS)水凝膠的階躍應變測量，交替階躍應變從一個小應變切換(1%)到大應變(300%)。

(G) 0.06wt% dPEDOT-CA-PDA-PAM水凝膠在固定頻率1 Hz、應變幅度1%下的凝膠動力學。

(H)水凝膠典型的拉伸應力-應變曲線。

(I)不同dPEDOT NPs含量水凝膠的斷裂能。

(J) 0.06wt% dPEDOT-CA-PDA-PAM水凝膠的模量和粘附強度與報道的導電水凝膠的比較。

(K)一塊雞肉的表面上點亮了粘在超軟水凝膠上的LED燈陣列。

(L)不同組成水凝膠的電導率。

(M) 0.06wt% dPEDOT-CA-PDA-PAM水凝膠對人體皮膚的界面電阻。

要點1.作者將甲基丙烯酸多巴胺(DMA)-雜化聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)納米顆粒(dPEDOT NPs)加入到卡拉膠(CA)互穿的PDA-聚丙烯酰胺(CA-PDA-PAM)網絡中製備。dPEDOT-CA-PDA-PAM水凝膠是超軟的，模量低於1 kpa，具有大腦水平的模量，可以減少其與腦組織的機械差異，實現了與周圍腦組織的機械和諧。水凝膠具有免疫迴避能力，能積極預防植入後纖維組織包裹和神經炎症。

要點2.結合水凝膠的BMI顯示出與底層腦組織的強大粘附性，能夠與金屬微電路緊密集成，並與腦組織無縫粘附，用於記錄ECoG，使用後可以無損去除，這是因爲水凝膠上的兒茶酚基團可以與組織形成各種非共價鍵和共價鍵。

要點3.體內植入後，結合水凝膠的BMI可以積極抑制炎症，減少FBR，防止纖維包裹，保證可靠的神經信號轉導。

這種免疫迴避水凝膠爲設計生物粘接性超軟性腦損傷提供了新的機會，這種超軟性腦損傷可與大腦進行無損、適形和穩定的接觸。

圖3. 超軟BMI適形貼附於大腦皮層，用於顱內ECoG信號監測。

(A和B)水凝膠集成生物粘接劑超軟BMI示意圖(A)和照片(B)。

(C)生物粘接劑超軟BMI和商品螺釘電極的手術操作和定位。

(D) PAM和dPEDOT-CA-PDA-PAM水凝膠綜合BMI記錄的代表性ECoG信號。

(E) PAM和dPEDOT-CA-PDA-PAM水凝膠綜合BMI記錄的ECoG信號的相關係數。

(F) SSVEP實驗裝置示意圖。

(G) SSVEP實驗中螺旋電極(左)和dPEDOT-CA-PDA-PAM水凝膠結合BMI(右)採集的ECoG信號的功率譜和相應的信噪比值。

鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.01.012

加編輯微信進入微信交流羣：HormoChem

或加入QQ交流羣：

HC-崛步化學：727942081

HC-電化學理論基礎：377488326

HC-化學文獻互助：262380660

HC-單原子催化：746146843

聚多巴胺+PEDOT新用途~水凝膠腦機接口！

相關資訊