Nature：給腦部植入物穿上一層柔軟的水凝膠

 癱瘓者可以在大腦內(nèi)植入芯片控制外部機(jī)械手；帕金森患者可以在大腦中植入電極進(jìn)行治療；這樣的技術(shù)報(bào)道已經(jīng)屢見不鮮。在電影中，大腦內(nèi)植入芯片可以瞬間就學(xué)會(huì)很多的知識(shí)，也許哪一天就會(huì)變成現(xiàn)實(shí)。人類對(duì)大腦的開發(fā)將進(jìn)入一個(gè)全新的探索階段。
在常規(guī)的意識(shí)里，各種大腦植入物在腦部的工作時(shí)間取決于它們的供能，其實(shí)還有一個(gè)因素往往被我們忽略了，那就是與腦組織的生物相容性。很多大腦植入物會(huì)對(duì)腦部組織產(chǎn)生這樣或那樣的影響，比如，摩擦、增生、瘢痕等，嚴(yán)重時(shí)，人們不得不停止這些植入物的工作，將它們?nèi)〕觥?

如何能夠讓這些電子設(shè)備能夠很好的與大腦組織接觸，提高它們的生物相容性呢？來(lái)自MIT材料科學(xué)與工程學(xué)院的科學(xué)家們想了一個(gè)辦法，為這些堅(jiān)硬的設(shè)備穿上一層柔軟的“外衣”。研究發(fā)表在近的《Nature》子刊《Scientific Reports》上。
這層柔軟的外衣就是現(xiàn)在流行的生物材料——水凝膠。
此前，很多帕金森患者需要在腦部植入電極進(jìn)行治療，電極可以釋放低頻電流，覆蓋幾毫米的直徑范圍。植入后，很多患者需要面臨的問題是，這些電極對(duì)周圍腦組織持續(xù)的摩擦使得周圍的組織變?yōu)轳：劢M織，這是一種膠質(zhì)增生，使得設(shè)備難以長(zhǎng)期在腦部工作。
圖片來(lái)源：MIT NEWS

現(xiàn)在，研究人員嘗試通過在電極上覆蓋一層水凝膠的涂層，以減小電極與大腦組織間的摩擦，使表面更加柔和，減少瘢痕組織的生成。研究人員選擇的水凝膠材料基質(zhì)為聚乙二醇二甲基（PEG－DMA）。涂層被設(shè)計(jì)成與腦組織具有相似的彈力，研究人員還可以人為的控制涂層的厚度。 初，研究人員直接對(duì)電極包被涂層，他們很快發(fā)現(xiàn)，涂層在入腦的過程中會(huì)脫落。之后，研究人員變更了策略，用另外一種方式。他們先將水凝膠涂層干燥，使之成為一個(gè)堅(jiān)硬的外部薄膜層，在入腦的過程中，涂層就不會(huì)脫落。當(dāng)電極被插入后，涂層膜吸收了水分，就會(huì)恢復(fù)柔軟的性質(zhì)。
研究還進(jìn)一步探討了植入電極的尺寸與機(jī)械性質(zhì)的對(duì)大腦組織的綜合影響。此前，并未有研究對(duì)大腦植入物的幾何因素給出明確的佳選擇，本次研究填補(bǔ)了相關(guān)的空白。研究人員在小鼠身上測(cè)試了不同直徑的有涂層和沒有涂層的電極纖維，他們發(fā)現(xiàn)，在直徑大于30微米的尺寸里，有水凝膠涂層的纖維相對(duì)于無(wú)涂層的纖維來(lái)說，由于機(jī)械性質(zhì)柔軟，瘢痕要少得多；但是隨著電極的纖維變小，當(dāng)直徑小于30微米之后，未涂層的版本產(chǎn)生的瘢痕要少，因?yàn)橥繉訒?huì)增加纖維的直徑。一般來(lái)說，涂層的厚度在25－100微米之間。
對(duì)于30微米這個(gè)臨界直徑，研究人員表示，這一尺寸是否使用于電刺激、腦部藥物遞送和大腦中電活動(dòng)記錄，尚有待進(jìn)一步研究。
研究對(duì)于電極的幾何性質(zhì)和機(jī)械性質(zhì)對(duì)于生物相容性的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，給出了今后科學(xué)研究中，對(duì)于此類腦植入物的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)非常有價(jià)值的指導(dǎo)。