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为解决神经电子植入物与生物底物不匹配的问题，研究人员开展生物启发电子学及神经接口的研究。他们发现多种策略可改善生物相容性等。该研究为神经接口技术发展提供新思路，极具科研价值，推荐大家阅读。
在神经科学和医学领域，神经接口技术（一种能实现神经系统与外部设备之间信息交互的技术）的发展正以前所未有的速度改变着临床诊断和治疗的方式。想象一下，通过一些神奇的设备，就能精确监测和调节人体细胞、器官和神经回路的生理功能，这听起来是不是很像科幻电影里的情节？但如今，它正逐渐成为现实。
非侵入性的脑图谱技术，比如头皮脑电图（EEG），就像给大脑戴上了一顶神奇的 “帽子”，它能在不打开脑袋的情况下，帮助医生诊断和监测癫痫、睡眠障碍、帕金森病、中风以及脑肿瘤等多种神经系统疾病。而且，EEG 因为成本低、安全性高、使用方便，在临床实践中得到了广泛应用。不过，这顶 “帽子” 也有它的小缺点，它只能记录大脑皮层区域产生的低频活动，就好像戴着有色眼镜看世界，只能看到一部分画面。
相比之下，侵入性技术，像脑机接口（BCI）和脑机（BMI）接口，就像是大脑的 “深度探测器”，能深入大脑内部，从更深层的脑结构中进行高带宽记录。有了它们，科学家们能获得更丰富、更详细的大脑信息，在治疗神经系统疾病和探索大脑奥秘方面取得了不少突破。比如，通过这些技术，能实现更精准的癫痫监测、帮助瘫痪患者恢复运动功能、治疗帕金森病等。
然而，这些看似完美的技术背后，却隐藏着一个大问题。传统的神经接口大多依赖刚性的导电和半导体材料，像铂（Pt）、金（Au）和硅（Si）等。这些材料就像坚硬的石头，和柔软的大脑组织（就像豆腐一样柔软）相比，简直是天壤之别。这种巨大的机械和结构差异，会让大脑把这些植入物当成 “外来侵略者”，引发炎症反应。而且，随着时间的推移，还会出现功能下降、材料降解等问题，严重影响神经接口的性能和使用寿命。就好比在柔软的土地上强行插入一块坚硬的石头，土地会反抗，周围的环境也会受到影响。
为了解决这些难题，让神经接口能更好地和大脑 “合作”，来自各方的研究人员都在努力探索。其中，作者[第一作者单位] 的研究人员在《Nature Communications》期刊上发表了一篇名为 “Bio-inspired electronics and neural interfaces: from soft biomaterials to living tissues” 的论文。他们发现，通过模仿生物组织的特性，采用生物启发的设计理念，可以制造出更理想的神经接口，有效减轻大脑的炎症反应，实现植入物与宿主组织的无缝融合。这就好比为大脑量身定制了一件合适的 “衣服”，让大脑能欣然接受这些外来的 “客人”。
这一研究成果意义重大。它为神经接口技术的发展开辟了新的方向，有望解决长期以来困扰该领域的生物相容性和功能稳定性问题。如果这些技术能成功应用于临床，将为无数神经系统疾病患者带来新的希望，极大地改善他们的生活质量。就像为黑暗中的患者点亮了一盏明灯，指引他们走向康复的道路。
在这项研究中，研究人员用到了多个关键技术方法。他们运用材料优化技术，选择如柔软的聚合物、水凝胶等生物相容性好的材料，来降低神经接口与组织之间的机械不匹配；采用表面功能化技术，在电子元件表面修饰生物分子，使其能更好地与周围组织相互作用；还使用细胞整合技术，将活细胞引入神经接口，构建生物杂交和全生物的界面，增强生物整合性和功能性。
下面，让我们一起来看看研究人员具体都有哪些惊人的发现吧！
仿生和生物活性电子学
仿生神经接口和电子学就像是大自然的模仿者，它们通过优化设计和材料选择，模仿目标组织的物理特性。比如，用超薄的金属或半导体结构、开放的三维网格几何形状以及蛇形结构等，来减少炎症反应和异物反应（FBR），就像给神经接口穿上了一层 “隐形衣”，让大脑难以察觉。而且，这些仿生电子学还能根据几何和设计原则，或者组成材料进行分类。经过多年的研究和验证，一些基于微电极的仿生神经接口，如 Synchron 的 stentrode、Neuralink 的 threads 和 Precision Neuroscience 的薄膜 microECoG 网格，已经进入临床试验阶段，朝着商业化迈进，未来有望广泛应用于临床治疗。
在聚合物基电子学方面，聚合物凭借其良好的柔韧性、惰性、电化学稳定性和耐久性，成为了神经接口的理想材料。它就像神经接口的 “坚强后盾”，能有效减少电极与组织之间的机械不匹配。比如，以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为基础的植入物，模仿了脊髓硬膜的形状和弹性模量，在修复大鼠脊髓损伤后，成功恢复了它们的运动能力，就像给受伤的脊髓装上了一个 “智能辅助器”。而导电聚合物，如聚（3,4 - 乙撑二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS），不仅能降低电极阻抗，还能增强信号转导能力，在神经记录和刺激中发挥着重要作用。此外，通过在聚合物中引入特定的形态和拓扑特征，如孔隙和网格结构，还能进一步减少组织创伤和疤痕形成，提高神经接口的性能。
水凝胶基电子学也是研究的重点之一。水凝胶是一种神奇的材料，它能吸收和保留大量水分，就像一块充满水的海绵。由于其高含水量和柔软的特性，水凝胶能很好地匹配神经组织的杨氏模量，有效减轻异物反应。比如，在刚性电极结构上涂上柔软的水凝胶涂层，能减少胶质瘢痕形成和神经元损失。而且，通过将纳米材料融入水凝胶基质中，可以制备出具有特殊功能的水凝胶复合材料，用于神经肌肉电刺激、生物传感等领域。甚至，3D 打印的全水凝胶生物电子接口，已经能够在体内有效刺激和记录大鼠组织和器官的电生理活动，为神经治疗带来了新的可能。
生物活性电子学则是给神经电极植入物 “穿上” 了一层特殊的 “生物外衣”，通过装饰与宿主组织生化环境相匹配或相似的生物活性成分，来增强细胞粘附、逃避免疫反应和减少胶质瘢痕形成。比如，用细胞外基质（ECM）蛋白、粘附分子和生长因子等对电极进行涂层处理，能促进长期生物相容性和神经突生长。一些生物活性涂层还能实现细胞特异性靶向，就像给电极装上了 “导航仪”，让它能准确找到目标细胞。此外，生物活性电子学还具备药物和分子递送功能，为神经治疗提供了更多的可能性。
生物杂交电子学
研究人员发现，将组织工程方法与生物电子学相结合，是提高神经接口生物相容性和长期整合性的有效途径。这就像是给神经接口找了一个 “生物伙伴”，让它们一起更好地为大脑服务。早期的生物杂交电子学研究，尝试将活细胞直接接种在电子设备上，或者将细胞包裹在充满细胞的水凝胶支架中。比如，“锥电极” 通过促进皮质神经突生长，实现了长达 15 个月的稳定记录；“筛电极” 则能在周围神经损伤后，保存神经肌肉接头并恢复骨骼肌控制，这些都为生物杂交电子学的发展奠定了基础。
为了改善器件 - 组织界面，研究人员进行了多种尝试。例如，将神经干细胞接种在水凝胶中的聚对二甲苯 C 基阵列，能在植入后 1 个月内支持宿主神经元存活并减少组织反应；在水凝胶基质中加入细胞，能为细胞提供良好的生长环境，促进细胞存活和电极表面的长期功能。然而，这些方法也面临着一些挑战，如细胞在植入后的生长和成熟需要时间，以及如何确保细胞在植入后能稳定地粘附在器件上。
在功能恢复方面，生物杂交再生生物电子学取得了显著进展。比如，一种植入物通过形成神经肌肉接头，成功实现了截肢后周围神经的功能恢复。而且，研究人员还提出了 “生物杂交过渡微电极阵列” 的概念，有望实现与神经组织的双向通信，但目前该设备的集成和功能还需要进一步研究。
活电子学和界面
活电子学和界面是一个全新的领域，这里的系统完全由生物衍生材料和活细胞组成。活细胞在这里可不是 “打酱油” 的，它们充当着设备的活性输入 / 输出终端，就像一个个勤劳的 “小信使”，负责在植入物和宿主组织之间传递信息。基于此，研究人员开发出了 “活电极”，用于中枢和周围神经系统以及身体其他电活性组织的双向通信。
组织工程化轴突束在其中发挥了重要作用，它可以作为突触式 BMI 的生物连接，实现基于突触的记录和神经调节。比如，μTENNs 作为双向全光活电极，能够记录和调节神经活动，为治疗帕金森病等神经系统疾病带来了新的希望。而且，组织工程化轴突束还能用于修复受损的大脑电路，通过构建组织工程化的黑质纹状体通路，为帕金森病的治疗提供了新的策略。此外，组织工程化轴突束在修复和神经支配其他组织方面也展现出了潜力，如促进周围神经损伤后的再生和功能恢复。
不过，活电子学和界面也面临着一些挑战。例如，目前它们主要依赖光学成像和远程刺激范式进行记录和刺激，这限制了信息传输带宽。而且，要将这些技术从实验室应用到临床，还需要解决长期稳定的结构和功能整合、防止纤维化或排斥反应、适应个体患者的解剖结构和病理等问题。
总的来说，这项研究通过对生物启发的神经接口和电子学的深入探索，为解决传统神经接口存在的问题提供了一系列创新的思路和方法。从仿生和生物活性电子学，到生物杂交电子学，再到活电子学和界面，每一个领域都取得了令人瞩目的进展。虽然目前这些技术在临床应用中还面临着一些挑战，比如监管、技术和生物学等方面的问题，但随着研究的不断深入和技术的持续进步，相信在不久的将来，这些生物启发的神经接口技术将能够广泛应用于临床，为神经系统疾病患者带来更加有效的治疗手段，改善他们的生活质量，让我们一起期待那一天的到来吧！
