韩国科学技术研究院(kaist)及其合作伙伴开发了一种新型基于水凝胶的灵活脑机接口。该接口旨在研究大脑结构或识别和治疗神经系统疾病，它能够刺激大脑并实时检测其信号。然而，现有神经界面在机械和化学特性上与真正的脑组织存在差异，这会导致异物反应，并在界面周围形成隔离层(胶质瘢痕)，缩短其使用寿命。
为了解决这一问题，Seongjun Park教授的团队通过将定制的多功能纤维束植入水凝胶体内，开发了一种“模拟大脑界面”。该设备不仅包含用于光遗传学程序的光纤，还包括用于读取大脑信号的电极束和用于将药物输送到大脑的微流体通道。
下图展示了多功能水凝胶混合探针的设计、制备和表征。(a)图展示了水凝胶混合探针设计的概念及其在减少对脑组织影响方面的应用。(b)、(c)图展示了水凝胶混合探针的制造过程，包括功能纤维单元的热拉伸(b)，以及纤维组件内水凝胶基质的一步直接聚合(c)。(d)图展示了光波导、微电极阵列和微流体通道纤维的照片。(e)图展示了水凝胶基质与多功能纤维组件整合后的水凝胶混合探针的照片。
当水凝胶变成固体时，界面在干燥状态下易于插入体内。但是一旦进入体内，水凝胶会迅速吸收体液，并与周围组织特性相似，从而最大限度地减少异物反应。
研究团队将该设备应用于动物模型，并证明其能够检测长达6个月的神经信号，远超之前的记录。与现有设备相比，在自由移动的小鼠上进行长期的光遗传学和行为学实验也可能显著减少胶质细胞和免疫激活等异物反应。
水凝胶混合探针的力学分析
上图(a)展示了由不锈钢、二氧化硅、PC 组成的纤维以及在弯曲变形下水凝胶混合探针的 Mises 应力分布。PC 纤维和具有完全溶胀和脱水水凝胶基质的混合探针的 FEA 结果的扩展视图。随着应力场的离散发展，膨胀的探针表现出单个聚合物纤维的机械隔离。
植入水凝胶混合探针的小鼠照片
研究人员表示：“这项研究意义重大，因为它首次将水凝胶作为多功能神经界面探针的一部分，从而大大延长了其寿命。”“随着我们的发现，我们期待在需要长期观察的神经系统疾病，如阿尔茨海默氏症或帕金森氏症的研究中取得进展。”
参考
The Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST). "'Hydrogel-based flexible brain-machine interface': The interface is easy to insert into the body when dry, but behaves 'stealthily' inside the brain when wet." ScienceDaily.
www.sciencedaily.com/releases/2021/07/210713093659.htm (accessed July 16, 2021).
Park, S., Yuk, H., Zhao, R. et al. Adaptive and multifunctional hydrogel hybrid probes for long-term sensing and modulation of neural activity. Nat Commun 12, 3435 (2021).
