东华大学纤维材料改性国家重点实验室张耀鹏教授联合上海市第六人民医院神经外科，基于MicroFab Jetlab 4高精度喷墨打印系统，成功开发出全球领先的非瞬态丝素蛋白（SF）柔性神经接口。随着脑机接口技术的不断发展，实现用意念操控外部设备的科幻场景正逐步变为现实，研究成功采集了具有更高精准度和更低信噪比的大鼠皮质脑电（ECoG）信号，为后续长效脑电监控、神经疾病病理研究和人机交互提供了解决方案。

正文

作为脑-机接口技术的关键一环，神经接口器件的性能很大程度上决定了所采集电生理信号的质量。丝素蛋白（SF）薄膜因其优异的柔性、可加工性和较低的免疫原性，被认为是构建生物质柔性神经接口器件的理想材料。然而，如何在SF薄膜表面牢固集成图案化导体材料是一个挑战。为了解决这一问题，东华大学张耀鹏教授团队将喷墨打印技术与热辅助图案转移相结合，利用MicroFab Jetlab 4高精度喷墨打印系统成功制备了一种基于丝素蛋白的高效、安全的多通道神经接口，如图1所示。该接口可用于缓解炎症、记录大鼠模型中的皮质脑电（ECoG）信号，且具有优异的组织顺应性、生物相容性和生物电导率，有望开发出一种高效和安全的“一体化”神经接口。

▲ 图1 基于SF神经接口的研究思路

在研究中，研究人员基于甲酸-氯化钙体系制得了有更高分子量的SF溶液。甲酸的存在促进SF长链和PEDOT分子间相互渗透和缠结（如图2）。在温度的辅助下，SF溶液逐渐固化（重结晶），将已渗透的PEDOT分子牢固锁合于SF层中，形成SF/PEDOT交织界面。这一加工方法赋予了所得SF/PEDOT材料本征非瞬态特性，其交织界面极大地保证了PEDOT导电层的高电导率和湿态环境下的耐受性，为后续制备非瞬态SF神经接口奠定了坚实的理论基础。

▲ 图2 SF/PEDOT 薄膜的制备

基于热温辅助图案转移技术，研究人员成功将喷墨打印的PEDOT电极转移至SF柔性衬底，制备了具有6通道电极的非瞬态SF柔性神经接口（图3）。神经接口器件前端采集点尺寸越小，所采得脑电信号越精确。此外，更小的器件尺寸也利于缩小植入创面。与现有SF基神经电极/接口材料相比，本研究制备的SF柔性神经接口在共形性、水稳定性和更小电极尺寸方面具有明显的优势。

▲ 图3 基于SF的神经接口的制备

本研究还对SF神经接口生物功能进行了验证（图4）。使用SF薄膜封装后的SF神经接口成功地在麻醉大鼠脑皮质表面采得ECoG信号，且与商用聚酰亚胺基神经电极相比，具有更高的精准度和更高的信噪比。实验结果表明，通过药物诱导的大鼠癫痫发作是间歇性的，并在潜伏期（或静息）、发作期和消退阶段循环约半小时，而非通常认为的长时段处于发作期。这证实了非瞬态SF柔性神经接口可鉴别癫痫状态下大鼠的各类脑电波。

▲ 图4 体内记录ECoG信号和癫痫样活动

针对非瞬态SF柔性神经接口的生物相容性这一关键问题，研究团队围绕术后动物生存状况、免疫反应和血液中炎症因子含量进行了重点考察评估，如图5所示，以PI贴片（PI膜用作基材，PEDOT：PSS喷墨打印电极）为对照组，相关结果表明，SF神经接口具有良好的柔性、共形性和低免疫原性，术后大鼠短期内可恢复正常生理功能、皮质表层未见明显擦伤，且血液中炎症因子表达处于较低水平，这将有利于后期临床应用研究。因此，这些长期生物相容性和非瞬时SF潜在功能化的增强有望开发出一种高效和安全的“一体化”神经接口。

▲ 图5 体内生物相容性和炎症评估

结语

基于MicroFab Jetlab 4高精度喷墨打印系统实现了在液体生物环境下电性增强的稳定PEDOT电极与柔性非瞬态SF薄膜基材的牢固集成，从而制备了具有良好导电性、保形性和生物相容性的SF神经接口。该接口可在大鼠模型中高效检测ECoG信号和癫痫样活动，并缓解炎症。随着制造的进一步发展和优化，未来该非瞬态SF的生物电子设备有望实现更多一体化功能的应用，如健康监测、实时药物输送以及脑机接口等生物医学和康复领域，为长效脑电监控、神经疾病病理研究和人机交互提供了解决方案。

参考文献：

[1] Hu Z, Liang Y, Fan S, et al. Flexible Neural Interface From Non‐Transient Silk Fibroin With Outstanding Conformality, Biocompatibility, and Bioelectric Conductivity[J]. Advanced Materials, 2024, 36(46): 2410007.