长春应化所张强研究员课题组与合作者《Adv. Mater.》: 拓扑水凝胶脑神经电极用于脑信号监测、神经调控和中风治疗

2023-12-06 来源：高分子科技

中风通常导致偏瘫甚至死亡，尽管目前的临床方法可以控制中风的病情，但仍难以实现完全康复。新兴的脑机接口有望调节大脑神经回路，促进大脑功能紊乱的恢复。可植入探针在脑机接口中发挥着关键作用，但在导电性和模量匹配/透光性之间存在两种不可调和的权衡。因此，开发具有良好导电性、组织模量匹配性以及透光性的可植入神经探针以实现神经退行性疾病（如中风）的诊疗仍具有极大挑战性。

图1. 拓扑水凝胶结构、性能和作为植入式神经探针的应用示意图。

近期，长春应化所张强研究员与解放军联勤保障部队第989医院常祺主任医师合作，通过在拓扑水凝胶中引入机械互锁的聚轮烷结构（PR-PEGMA）作为水凝胶的交联剂。PR-PEGMA含有聚乙二醇（PEG）骨架和15个具有PEGMA侧链的环糊精（CDs）。这15个CDs由PEG骨架串接，然后由大的基团封端。CD交联位点像滑轮一样沿着PEG链自由滑动，产生低弹性模量和更大的强度。在水凝胶中使用聚（3，4-亚乙基二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）作为导电填料以获得良好的导电性，PEDOT沿着CDs上的PEG链排列导致了高导电性。此外，CDs在PEG主链上的滑动作用减少了PEDOT链的聚集，从而减少了PEDOT与光波相互作用，提高水凝胶透光性。并进一步证明了拓扑水凝胶是作为理想的可植入神经探针，用于获取大脑信号、调节大脑神经回路和治疗中风。

图2. 拓扑水凝胶的制备及力学、电化学学性能表征。

图3. 拓扑水凝胶的生物相容性表征。

通过对拓扑水凝胶（AP₆P₁H）进行力学性能、电化学学性能和生物相容性表征，证明了AP₆P₁H具有良好的生物相容性和高导电性，这些性能支持了长期记录脑神经信号、进行神经调控的可能性。

图4. 拓扑水凝胶神经探针在脑神经信号监测中的应用。

通过使用AP₆P₁H连续记录了8周大鼠处于睡眠状态下的LFP信号并记录夹尾刺激下体感诱发电位，验证了AP₆P₁H电极记录各种振荡节律的优异能力和长期记录信号的能力，其在调节大脑神经回路和解码神经传递信息方面具有重要应用。

图5. 拓扑水凝胶神经探针在光遗传学调控中的应用。

光遗传学神经调控通过直接调节靶向脑功能区，为治疗脑功能紊乱提供了有前景的技术。AP₆P₁H可同时作为光纤和电极，当用蓝色脉冲激光（473 nm）刺激M1区域时，可以获得清晰的LFP信号，在神经调控的4周内未观察到明显的信号衰减。此外，将蓝色脉冲（20 Hz，20 mW）施加到大鼠的M1区域时，在大鼠进行相应的肢体行为时，能同时观察到相应的LFP信号，这些结果证明了AP₆P₁H的光遗传学神经调控能力，可用于后续治疗中风。

图6. 拓扑水凝胶神经探针在光遗传治疗中风中的应用。

光遗传学调节可以选择性地触发或抑制特定的神经元和神经回路，以促进轴突发芽并重新连接大脑回路。首先建立局灶性大脑中动脉栓塞模型（MCAO），对中风大鼠进行为期12天的连续光遗传学调节，通过2，3，5-三苯基氯化四氮唑（TTC）染色，NeuN、缺氧诱导因子-1（HIF-1α）免疫荧光分析以及三种行为学测试（旋转梁测试、转角（corner turn tests）和前肢放置测试），这些结果都证明了光遗传学调控在促进中风大鼠运动功能恢复中的重要作用。
该成果以“Topological Hydrogels for Long-Term Brain Signal Monitoring, Neuromodulation, and Stroke Treatment”为题发表在《Advanced Materials》上，该论文第一作者为长春应化所博士研究生沈珍珍，中国科学院长春应化所张强研究员与联勤保障部队第989医院常祺主任医师为共同通讯作者。该论文得到了国家自然科学基金（22377122、U22A20183）和吉林省科技发展计划（20230204107YY、20210509036RQ）的资助。

论文信息：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202310365

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（责任编辑：xu）

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