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    重要新聞

    理化所實現長期植入式液態金屬外周神經電極并證實系列在體應用

    稿件來源: 發布時間:2022-08-18

      卡膚電極(cuff electrode)是一種外周神經電極,能夠與外周神經束形成連接,以獲取神經信號或對神經進行刺激,主要應用于神經科學研究、神經疾病治療、神經假體和神經接口領域。目前商業化的卡膚電極多采用鉑、銥、鈦、鎢等固態金屬材料作為信號傳遞的導體,這些以固態金屬為基材的電極在長度上幾乎無法拉伸。而人或動物的身體比較靈活,能夠彎曲、扭曲、伸展到不同位置和長度。傳統的固態金屬卡膚電極無法跟隨生物體姿態變化進行大幅度的拉伸扭曲,難以滿足科學研究和臨床醫學對理想生物電極的需求。 

      液態金屬材料兼具流體的流動性和金屬的導電性,在制備柔性、可拉伸的神經接口方面有很大的應用前景。此前,中科院理化所液態金屬與低溫生物醫學研究中心針對液態金屬神經接口進行了系列開拓性探索。在劉靜研究員的領導下,理化所與清華大學聯合研究小組于2014年首次報道了液態金屬神經連接與修復技術,證實通過引入液態金屬接通牛蛙截斷的坐骨神經,可實現上下游神經信號的傳輸和肌肉功能的響應(arXiv:1404.5931v1),這一工作在國際上持續引發反響,被New Scientist、Technology Review、Daily mail、Newsweek等廣泛評介。隨后,團隊又開展了液態金屬管縫合小鼠坐骨神經完成信號傳輸(Sci. Bull. 2016, 61(12), 939-947),以及制備液態金屬電極陣列植入牛蛙作為坐骨神經信號發生器實現運動功能重建(J. Micromech. Microeng. 2017, 27(10), 104002)等系列工作,證實了液態金屬材料和電極在進行急性神經重新連接、神經刺激和心電信號記錄的可行性,并先后獲得了液態金屬神經接口技術領域最早的一批發明專利授權,為更廣范圍神經信號傳遞、采集與刺激應用打下了基礎。 

      近日,理化所液態金屬與低溫生物醫學研究中心副研究員李雷與北京理工大學智能機器人與系統高精尖創新中心副研究員湯戎昱合作,研發了液態金屬卡膚電極,并成功地將其植入到大鼠體內。在為期兩周的實驗中,體內植入了液態金屬外周神經電極的大鼠處于自由活動狀態,電極不僅能夠適應大鼠身體伸展扭轉等姿態的變化,還實現了運動狀態下大鼠神經信號的長期采集與刺激,顯示出液態金屬電極作為人工外周神經并替代生物外周神經功能的潛力。文章以Towards an artificial peripheral nerve: liquid metal-based fluidic cuff electrodes for long-term nerve stimulation and recording為題發表于生物傳感領域權威期刊Biosensors and Bioelectronics(影響因子12.545)。湯戎昱副研究員和理化所博士生張成林為論文共同第一作者,李雷副研究員與劉靜研究員為共同通訊作者。 

      在研究中,作者們首先制備了液態金屬卡膚電極(過程如圖1所示),并進行了一系列體外測試。研究表明,液態金屬電極具有良好的可拉伸性和可扭轉性,其彈性模量比Pt105-106倍、與PDMS及一些典型的柔性生物組織如骨骼肌和皮膚相近(數據整理見圖2),這將有助于減少電極植入后對生物組織的機械損傷。液態金屬電極還具備良好的導電性,其電導率遠遠高于導電水凝膠、離子液體和PEDOT:PSS,并與Pt處于同一數量級(圖3)。液態金屬具有室溫液態的特性,在拉伸后也能保持出色的導電性,這是Pt等剛性電極所不具備的優勢,由此制成的液態金屬外周神經電極能夠適應生物體的反復拉伸或扭曲等姿態變化,同時仍能保持高信噪比神經信號的穩定有效雙向傳輸。

      

    1 液態金屬卡膚外周神經電極的制備過程及實物照片 

      

    2 液態金屬卡膚外周神經電極及典型材料和組織的彈性模量 

      

    3 液態金屬卡膚外周神經電極及典型材料的電導率 

      進一步地,作者們將液態金屬卡膚外周神經電極植入到大鼠體內(圖4a),并初步實現了人工外周神經的多種功能。CT照片顯示液態金屬電極在大鼠體內隨不同身體姿態呈現拉伸和松弛狀態(圖4b)。圖4c統計了多只大鼠不同身體姿態下從頭部到坐骨神經路徑的長度,數據顯示不同姿態下平均路徑長度存在較大變化,體現出研發可拉伸外周神經電極的價值。 

      

    4 液態金屬卡膚外周神經電極的植入及在體CT圖像 

      在體植入的液態金屬外周神經電極不僅經受了大鼠自由運動狀態下的反復拉伸,還始終保持了運動和感覺神經信息在電極內雙向傳輸的能力。在植入后第1天和第14天,液態金屬電極同步采集了大鼠在跑臺上模擬人類行走過程中的坐骨神經信號,并從中分離出了與步行周期高度相關的簇發神經信號模式(圖5)。采集到的坐骨神經信號能量在0-800 Hz均有分布,但主要集中在0-60 Hz的局部場電位低頻段。除了較強的局部場電位信號之外,也檢測到存在大量的神經脈沖,并且呈現與步行周期高度相關的分布特征。 

      

    5 大鼠在跑臺上模擬人體步態行走時的運動捕捉步態信號、坐骨神經時序信號、信號頻譜分布和神經脈沖信號 

      液態金屬電極還成功地把模擬神經脈沖電信號傳輸給自由狀態下的大鼠坐骨神經,在大鼠的軀體感覺腦區誘發出刺激事件相關腦電位,液態金屬電極從坐骨神經本身也記錄到刺激誘發的大量神經場電位和動作電位(圖6)。實驗利用液態金屬電極通過100微安的雙脈沖電流對大鼠坐骨神經進行刺激,統計分析同步采集的大鼠腦電信號顯示刺激誘發了腦皮層事件相關電位,進一步通過腦源定位分析顯示刺激誘發電位主要分布在大腦的軀體感覺腦區。除了腦電電極記錄到的刺激誘發腦電信號之外,液態金屬電極也記錄到了刺激誘發的大鼠坐骨神經信號。信號能量主要集中在100 Hz-1 KHz的較高頻段,其中存在大量的神經脈沖,刺激誘發信號峰值出現在250-500 ms之間。 

      

    6 清醒自由狀態下,大鼠受到液態金屬電極向坐骨神經傳輸的刺激信號,刺激誘發出腦皮層事件相關電位和坐骨神經事件相關信號 

      以上在生物體內外的實驗表明,液態金屬外周神經電極不僅具備媲美外周神經的柔性和拉伸性能,而且實現了運動和感覺神經信號的長期雙向傳輸,顯示了其成為人工外周神經并替代生物外周神經功能的潛力。 

      人工外周神經具有廣泛的應用前景,可以作為外周神經的接口器件,在神經科學、神經疾病和腦機接口等領域發揮著重要作用。在未來,液態金屬外周神經電極可以作為神經疾病監測設備的傳感器、疾病干預設備的刺激器、腦機接口設備的信息傳遞媒介,甚至作為人工外周神經假體對損傷的外周神經組織進行修復、替代或增強。 

        

      文章及視頻鏈接: 

      https://doi.org/10.1016/j.bios.2022.114600 

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