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【中國科學报】新神经接口器件灵感来自玫瑰花瓣

有望解決植入式醫療裝置關鍵難題

2020-07-31 中國科學报 刁雯蕙
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新型微锥阵列神经界面示意图 中科院深圳先进院供图

  近日,中國科學院深圳先进技术研究院(以下简称深圳先进院)研发出具有微锥阵列结构的神经接口器件。小鼠试验证明,这种结构能显著促进神经元突触的贴附和攀爬(类爬山虎行为)以及周期性神经元网络构建,不仅极大提高神经器件植入后的生物相容性与有效性,也为神经元网络重建与功能调节提供全新策略与方法。7月27日,相关成果发表于《微系统与纳米工程》。

  神經刺激技術因對諸如帕金森氏症、癫痫、失明和抑郁等神經系統疾病有顯著療效而備受關注。傳統植入式神經器件通常采用金屬、有機物和高分子等複合材料制備,因其與生物組織性能相差較大,植入後易被視爲異物而引起炎性反應,最終導致器件被纖維化組織包裹以及植入體周圍神經元死亡。

  “人体对植入式器件非常敏感,一旦植入会有很大的反应。”論文共同通讯作者、深圳先进院研究员杜学敏表示,炎症和神经元的坏死会影响神经器件在慢性植入过程中的性能,严重阻碍了神经刺激技术的广泛应用。因此,如何减轻神经器件界面的炎性反应并实现长期有效的刺激,是植入式神经器件亟待解决的关键问题。

  針對現有挑戰,基于前期研究證實的微納結構能調控細胞行爲,研究團隊提出一個假設,能否通過一種微觀物理結構,讓神經器件起到長期抗炎的效果?玫瑰花瓣獨特的結構給團隊帶來了科研靈感。

  研究團隊將膠體微球在基底上規整排列,利用離子刻蝕法將球體進行刻蝕,隨後制備出仿玫瑰花瓣表面獨有的微錐陣列結構,並將這種膠體晶體刻蝕方法制備出的特殊結構設計到神經器件表面。

  通過原代神經細胞培養實驗,研究人員發現神經器件界面的微錐陣列結構與神經元胞體尺寸接近,因而能有效促進神經元細胞的貼附;其表面特殊的微納形貌顯著促進了神經元突觸的攀附和生長,並形成獨特的周期性神經網絡。

  結合慢性植入實驗,研究團隊還發現了這類結構的抗炎功能。

  “传统植入式神经器件通过包裹抗炎症药物降低炎症的发生,但抗炎症的作用非常有限。”論文共同通讯作者、深圳先进院研究员鲁艺表示,在6周的慢性植入小鼠实验中,他们发现,这类新型结构能够阻碍星形胶质细胞的贴附和组织包囊的形成,进而证实了具有微纳形貌的植入式神经器件具有优异的抗炎功能。

  該研究通過獨特的物理結構有效降低了炎性反應並促進神經元網絡化,在植入式醫療器件領域具有良好的應用前景。

  相关論文信息:https://doi.org/10.1038/s41378-020-0172-0

  (原载于《中國科學报》 2020-07-31 第4版 综合)
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