近日，中國(guó)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(tuán)隊(duì)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(shí)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(wú)生物毒性、不引起排異反應(yīng)、體內(nèi)可降解、強(qiáng)韌等特點(diǎn)，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)取２贿^，使用蠶絲蛋白等聚合物制備生物電子器件時(shí)，相關(guān)研究仍面臨一定挑戰(zhàn)。

論文通訊作者、中國(guó)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(huì)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(wú)法在人體內(nèi)長(zhǎng)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(dòng)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(duì)上述難題，科研團(tuán)隊(duì)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(huì)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�克銀告訴記者，受此啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)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(huì)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(tuán)隊(duì)利用多層蠶絲蛋白膜鍵合工藝，設(shè)計(jì)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(kuò)張的蠶絲蛋白膜，可以使植入器件的形態(tài)產(chǎn)生變化。”柳克銀指著改變?yōu)轱L(fēng)車形狀的蠶絲蛋白膜向記者解釋。研究團(tuán)隊(duì)利用微納米加工技術(shù)等方法，最終實(shí)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(tuán)隊(duì)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(shí)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(tuán)隊(duì)基于雙層可卷曲蠶絲蛋白膜及微機(jī)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(tuán)隊(duì)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(shí)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(zhǎng)期在體生物相容性已得到初步驗(yàn)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(hào)記錄以及腸道疾病治療等方面�！�