近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員陶虎團隊與上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第六人民醫(yī)院合作，利用蠶絲蛋白材料的超收縮特性與鍵合工藝，實現(xiàn)了器件的水觸發(fā)可控幾何重構(gòu)，開發(fā)出一種具有高度生物適配性的植入式生物電子器件。相關(guān)研究論文發(fā)表于《先進(jìn)材料》。
克服原材料局限性
蠶絲蛋白由天然蠶繭提煉加工得來，具有無生物毒性、不引起排異反應(yīng)、體內(nèi)可降解、強韌等特點，常被應(yīng)用于研制各種生物醫(yī)學(xué)植入物，如人工心臟瓣膜、骨科接骨板釘?shù)?。不過，使用蠶絲蛋白等聚合物制備生物電子器件時，相關(guān)研究仍面臨一定挑戰(zhàn)。
論文通訊作者、中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所副研究員柳克銀告訴記者，蠶絲蛋白薄膜常用于制作植入式生物電子器件的襯底。這種薄膜遇水后會吸水膨脹，使得器件表面的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)被撕裂，致使電子器件無法在人體內(nèi)長期工作。此外，用蠶絲蛋白制作的柔性電子器件往往通過被動形變的方式與人體的組織器官相貼合。這意味著這些器件的貼附效果有限，影響治療效果。
針對上述難題，科研團隊開發(fā)出了一種基于蠶絲蛋白材料的植入式生物電子器件。
“大多數(shù)柔性物質(zhì)遇水會膨脹，但蜘蛛絲例外，遇水反而收縮，這種超收縮性是蜘蛛網(wǎng)遇水不破的奧秘?！绷算y告訴記者，受此啟發(fā)，研究團隊調(diào)整了蠶絲蛋白的分子結(jié)構(gòu)，使其具備超收縮特性，不會遇水膨脹斷裂。
為了讓蠶絲蛋白膜具備更好的貼附效果，研究團隊利用多層蠶絲蛋白膜鍵合工藝，設(shè)計開發(fā)出形變可控的水觸發(fā)幾何重構(gòu)蛋白薄膜。
“人體的器官和組織有各種形狀，通過疊加可收縮、可擴張的蠶絲蛋白膜，可以使植入器件的形態(tài)產(chǎn)生變化?！绷算y指著改變?yōu)轱L(fēng)車形狀的蠶絲蛋白膜向記者解釋。研究團隊利用微納米加工技術(shù)等方法，最終實現(xiàn)了蠶絲蛋白植入式器件與目標(biāo)組織或器官的適配功能。
具有高度適配性
近年來，以植入式器件為基礎(chǔ)的神經(jīng)接口技術(shù)常被用于多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的緩解和治療。然而，傳統(tǒng)的植入式器件面臨器件植入創(chuàng)傷大、與人體適配性不高等問題。
研究團隊不斷創(chuàng)新，將蠶絲“跨界”應(yīng)用于神經(jīng)接口，解決了神經(jīng)電極在植入時容易造成較大創(chuàng)傷的問題。為進(jìn)一步提高蠶絲蛋白神經(jīng)接口與神經(jīng)組織的適配性，團隊基于雙層可卷曲蠶絲蛋白膜及微機電系統(tǒng)工藝，開發(fā)出一種用于外周神經(jīng)的螺旋電極。
“血管和神經(jīng)組織是柔軟可彎折的，傳統(tǒng)的神經(jīng)電極很難適配。”柳克銀說，受到爬藤植物啟發(fā)，研究團隊制作的螺旋電極可以像藤蔓一樣“爬”上血管，能夠跟隨血管彎折而不造成影響，從而實現(xiàn)高度適配。
據(jù)了解，這種螺旋電極的電生理刺激功能和中長期在體生物相容性已得到初步驗證。這也證明，多層幾何可重構(gòu)蛋白膜在生物電子器件制備領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用前景。
柳克銀說：“在進(jìn)一步集成可控給藥、電刺激等功能后，這類植入式電子生物器件有望應(yīng)用于外周神經(jīng)修復(fù)、腦皮層電生理信號記錄以及腸道疾病治療等方面。”（盧力媛 科技日報記者 王 春）
（責(zé)任編輯：蔡文斌）
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