Nat. Commun.: 可生物降解柔性神经接口，用于透皮光电调制和周围神经再生

2024-06-13 04:06

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光电神经接口可以利用光伏效应将光转换为电流，诱导电荷重新分布并实现神经刺激，提供了一种非光遗传和无线的神经调控方法。开发可生物降解且高效的光电神经接口，对于实现透皮刺激非常重要，同时可以最大限度地降低二次手术带来的相关感染风险，从而提高治疗效果。

为此，清华大学材料学院尹斓副教授、中国人民解放军总医院王玉研究员和镁伽科技有限公司汪世溶团队共同提出了一种基于薄膜硅（Si）二极管的完全可生物降解、柔性和小型化的光电器件（图1），并实现了周围神经的无线透皮刺激和功能恢复。该工作引入了可降解的金属薄膜钼（Mo）作为界面修饰层，可实现高效的电荷注入。此外，采用延伸电极来实现三极刺激，以进一步提高刺激的效率。通过将深红光（635nm）照射到S-D大鼠的坐骨神经和新西兰兔的面神经上来实现神经调控，并通过透皮光电刺激成功恢复受损的面神经的功能。这些结果为开发用于透皮神经调节和相关再生医学的可生物降解、高效和小型化光电器件提供了重要途径。这一研究成果以“A biodegradable and flexible neural interface for transdermal optoelectronic modulation and regeneration of peripheral nerves”为题发表在国际知名期刊Nature Communicaions上。

图1 用于周围神经光电刺激的可生物降解柔性神经接口示意图。

作者首先通过膜片钳测试了不同金属修饰的Si二极管的光电响应。结果表明，可降解金属Mo修饰的器件具有更高的光电压及光电流（图2），并通过统计电荷注入量发现，Mo修饰的器件具有更高的电容电荷和法拉第电荷，尤其是法拉第电荷得到了明显的提升。

针对这一现象，作者对Mo修饰提高光电响应的机理进行了研究（图3）。研究结果显示，Mo修饰器件具有更大的电荷存储量，XPS的结果也表明Mo具有多价态的变价反应，可通过化学反应提高法拉第电荷的注入量。并且Mo修饰器件的界面阻抗明显降低，降低了电荷传输的能垒。所以Mo比传统的贵金属Au等提高光电响应的能力更强。

图2 生物降解光电神经接口的器件结构和性能。

图3 硅基光电器件界面修饰层特性

随后，研究者将该可降解的光电器件放置在S-D大鼠坐骨神经（图4）和新西兰大白兔的面神经（图5）上进行神经调控的展示。在深红光（635 nm）下，Mo修饰的光电器件刺激的大鼠，腿部有明显的抖动，且在腓肠肌记录到了强烈的肌电信号。在兔子的面神经处，即使隔着面部皮肤，有效的刺激仍能产生。展示了该光电器件的无线透皮刺激能力。同时，图5也展示了完全可生物降解的光电器件在植入兔子面神经后的降解情况，植入后8周器件可以完全在体内降解。

图4 基于Si的神经接口对SD大鼠坐骨神经的光电刺激。

图5 使用基于Si的神经接口对新西兰兔面部神经的光电刺激。

最后，研究者将该光电器件作为治疗兔子面神经钳夹伤修复的材料，通过施加可调控的刺激，无线透皮对损伤神经进行了治疗。结果表明（图6），Mo修饰的光电器件治疗可以显著地提高受伤神经结构的恢复速度以及恢复质量，同时促进了神经功能的重建。

图6 使用可生物降解的光电神经接口光电治疗后 4 周和 8 周再生神经节段的评估。

这项工作提供的材料策略和设计方案，实现了高效和可生物降解的光电神经接口，用于非光遗传、无线和透皮神经调节和再生，并有可能在临床医学中用于最大限度地提高治疗效果。

清华大学材料学院尹斓副教授、中国人民解放军总医院王玉研究员和镁伽科技有限公司汪世溶为本文的共同通讯作者；清华大学材料学院孙鹏程、杨灿博士，中国人民解放军总医院李超超博士为本文的共同第一作者；中山大学深圳校区王华春助理教授，北京航空航天大学王柳助理教授，北京脑科学与类脑研究中心熊巍研究员，清华大学电子系盛兴、张沕琳副教授，中国人民解放军总医院骨科研究所所长彭江主任医师等为论文做出了重要贡献。研究得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金的支持。