給腦部植入物穿上一層柔軟的「外衣」

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癱瘓者可以在大腦內植入晶元控制外部機械手；帕金森患者可以在大腦中植入電極進行治療；這樣的技術報道已經屢見不鮮。在電影中，大腦內植入晶元可以瞬間就學會很多的知識，也許哪一天就會變成現實。人類對大腦的開發將進入一個全新的探索階段。

在常規的意識里，各種大腦植入物在腦部的工作時間取決於它們的供能，其實還有一個因素往往被我們忽略了，那就是與腦組織的生物相容性。很多大腦植入物會對腦部組織產生這樣或那樣的影響，比如，摩擦、增生、瘢痕等，嚴重時，人們不得不停止這些植入物的工作，將它們取出。

如何能夠讓這些電子設備能夠很好的與大腦組織接觸，提高它們的生物相容性呢？來自MIT材料科學與工程學院的科學家們想了一個辦法，為這些堅硬的設備穿上一層柔軟的「外衣」。研究發表在最近的《Nature》子刊《Scientific Reports》上。

這層柔軟的外衣就是現在最流行的生物材料——水凝膠。

此前，很多帕金森患者需要在腦部植入電極進行治療，電極可以釋放低頻電流，覆蓋幾毫米的直徑範圍。植入後，很多患者需要面臨的問題是，這些電極對周圍腦組織持續的摩擦使得周圍的組織變為瘢痕組織，這是一種膠質增生，使得設備難以長期在腦部工作。

圖片來源：MIT NEWS

現在，研究人員嘗試通過在電極上覆蓋一層水凝膠的塗層，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為聚乙二醇二甲基（PEG-DMA）。塗層被設計成與腦組織具有相似的彈力，研究人員還可以人為的控制塗層的厚度。

最初，研究人員直接對電極包被塗層，他們很快發現，塗層在入腦的過程中會脫落。之後，研究人員變更了策略，用另外一種方式。他們先將水凝膠塗層乾燥，使之成為一個堅硬的外部薄膜層，在入腦的過程中，塗層就不會脫落。當電極被插入後，塗層膜吸收了水分，就會恢復柔軟的性質。

研究還進一步探討了植入電極的尺寸與機械性質的對大腦組織的綜合影響。此前，並未有研究對大腦植入物的幾何因素給出明確的最佳選擇，本次研究填補了相關的空白。研究人員在小鼠身上測試了不同直徑的有塗層和沒有塗層的電極纖維，他們發現，在直徑大於30微米的尺寸里，有水凝膠塗層的纖維相對於無塗層的纖維來說，由於機械性質柔軟，瘢痕要少得多；但是隨著電極的纖維變小，當直徑小於30微米之後，未塗層的版本產生的瘢痕要少，因為塗層會增加纖維的直徑。一般來說，塗層的厚度在25-100微米之間。

對於30微米這個臨界直徑，研究人員表示，這一尺寸是否使用於電刺激、腦部藥物遞送和大腦中電活動記錄，尚有待進一步研究。

研究對於電極的幾何性質和機械性質對於生物相容性的影響進行了系統的分析，給出了今後科學研究中，對於此類腦植入物的設計提供了一個非常有價值的指導。

參考資料：

[1] Making brain implants smaller couldprolong their lifespan

[2] Characterization of MechanicallyMatched Hydrogel Coatings to Improve the Biocompatibility of Neural Implants

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