植入式生物电子器件柔软“贴身”不怕水

近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员陶虎团队与上海交通大学医学院附属第六人民医院合作，利用蚕丝蛋白材料的超收缩特性与键合工艺，实现了器件的水触发可控几何重构，开发出一种具有高度生物适配性的植入式生物电子器件。相关研究论文发表于《先进材料》。

  克服原材料局限性

  蚕丝蛋白由天然蚕茧提炼加工得来，具有无生物毒性、不引起排异反应、体内可降解、强韧等特点，常被应用于研制各种生物医学植入物，如人工心脏瓣膜、骨科接骨板钉等。不过，使用蚕丝蛋白等聚合物制备生物电子器件时，相关研究仍面临一定挑战。

  论文通讯作者、中国科学院上海微系统与信息技术研究所副研究员柳克银告诉记者，蚕丝蛋白薄膜常用于制作植入式生物电子器件的衬底。这种薄膜遇水后会吸水膨胀，使得器件表面的导电结构被撕裂，致使电子器件无法在人体内长期工作。此外，用蚕丝蛋白制作的柔性电子器件往往通过被动形变的方式与人体的组织器官相贴合。这意味着这些器件的贴附效果有限，影响治疗效果。

  针对上述难题，科研团队开发出了一种基于蚕丝蛋白材料的植入式生物电子器件。

  “大多数柔性物质遇水会膨胀，但蜘蛛丝例外，遇水反而收缩，这种超收缩性是蜘蛛网遇水不破的奥秘。”柳克银告诉记者，受此启发，研究团队调整了蚕丝蛋白的分子结构，使其具备超收缩特性，不会遇水膨胀断裂。

  为了让蚕丝蛋白膜具备更好的贴附效果，研究团队利用多层蚕丝蛋白膜键合工艺，设计开发出形变可控的水触发几何重构蛋白薄膜。

  “人体的器官和组织有各种形状，通过叠加可收缩、可扩张的蚕丝蛋白膜，可以使植入器件的形态产生变化。”柳克银指着改变为风车形状的蚕丝蛋白膜向记者解释。研究团队利用微纳米加工技术等方法，最终实现了蚕丝蛋白植入式器件与目标组织或器官的适配功能。

  具有高度适配性

  近年来，以植入式器件为基础的神经接口技术常被用于多种神经系统疾病的缓解和治疗。然而，传统的植入式器件面临器件植入创伤大、与人体适配性不高等问题。

  研究团队不断创新，将蚕丝“跨界”应用于神经接口，解决了神经电极在植入时容易造成较大创伤的问题。为进一步提高蚕丝蛋白神经接口与神经组织的适配性，团队基于双层可卷曲蚕丝蛋白膜及微机电系统工艺，开发出一种用于外周神经的螺旋电极。

  “血管和神经组织是柔软可弯折的，传统的神经电极很难适配。”柳克银说，受到爬藤植物启发，研究团队制作的螺旋电极可以像藤蔓一样“爬”上血管，能够跟随血管弯折而不造成影响，从而实现高度适配。

  据了解，这种螺旋电极的电生理刺激功能和中长期在体生物相容性已得到初步验证。这也证明，多层几何可重构蛋白膜在生物电子器件制备领域有很广泛的应用前景。

  柳克银说：“在进一步集成可控给药、电刺激等功能后，这类植入式电子生物器件有望应用于外周神经修复、脑皮层电生理信号记录以及肠道疾病治疗等方面。”