综述：柔性深脑神经接口的长期稳定性策略
2025-05-17 08:54:41 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文系统地探讨了柔性深脑神经接口的长期稳定性问题，重点分析了电极几何形态和植入策略在调节炎症反应中的协同优化。此外，该综述还深入探讨了通过电极表面功能化被动增强生物相容性和通过药物控释系统主动抑制炎症等创新策略，为延长电极寿命提供了新的技术途径。
柔性深脑神经接口作为神经工程领域的一个重要研究方向，在神经信号检测、神经疾病治疗以及智能控制系统等领域具有广阔的应用前景。然而，长期植入所引发的慢性炎症反应和由此导致的电极失效问题严重制约了该技术的临床发展。
据麦姆斯咨询报道，近日，中国科学院空天信息创新研究院的研究团队在npj Flexible Electronics期刊上发表了题为“Long-term stability strategies of deep brain flexible neural interface”的综述论文，系统地探讨了柔性深脑神经接口的长期稳定性问题，重点分析了电极几何形态和植入策略在调节炎症反应中的协同优化。此外，该综述还深入探讨了通过电极表面功能化被动增强生物相容性和通过药物控释系统主动抑制炎症等创新策略，为延长电极寿命提供了新的技术途径。通过整合和综述现有的深脑柔性电极创新方法，本研究为开发高稳定性神经接口器件提供了重要的理论基础和技术指导。
深脑柔性神经接口的形状决定了植入方法，而植入方法直接影响植入引起的损伤程度和急性炎症反应。神经接口的结构特征以及植入物和脑组织之间的几何和机械失配是引发慢性炎症反应的主要因素。这种慢性炎症会继续影响神经接口的有效使用寿命。柔性电极显著缓解了与传统刚性接口相关的机械失配问题，尤其是在杨氏模量方面。减少免疫反应的进一步目标是使电极在神经组织内“不可见”，被动地“躲避”免疫系统的识别，从而使它们的形状和表面特性与神经组织相一致。然而，“植入”不可避免地会导致一定程度的脑组织损伤。因此，使电极能够主动释放抗炎物质以调节周围环境并促进组织修复也至关重要。此外，将被动“隐形”和主动调制策略相结合可以最大限度地延长电极的寿命（图1）。
图1 深脑柔性神经接口的长期稳定性策略
稳定性的前提：协调电极形状与植入方法
为了确保电极的长期稳定性并将组织损伤降到最低，电极的机械特性必须与脑组织的机械特性高度匹配。柔性电极具有较低的弯曲刚度和杨氏模量，可模拟脑组织的柔软度，降低慢性炎症和机械失配的风险。然而，其固有的柔性限制了其直接穿透脑组织的能力，因此必须使用刚性导向器或表面刚度增强技术进行精确植入。
植入方法的选择取决于电极的形状。形状简单的电极，例如棒状或丝状电极，可与各种植入方案兼容。复杂形状的电极，例如网状电极，需要特别注意在植入过程中保持其稳定性。植入的横截面积直接影响急性损伤的程度。因此，选择与电极形状相匹配的植入方法并优化植入横截面积有助于电极记录的长期稳定性。
电极形状与植入方法的定制协调
在采用刚性导向器进行电极引导时，电极可直接与脑组织接触，从而实现神经信号的同步记录。在植入过程中，尖峰信号的形状和幅值有助于定位植入部位。常见的引导植入方法包括钨丝引导、SU-8引导以及注射泵技术。钨丝引导因其操作简便、速度较快，通常适用于棒状或丝状电极。而SU-8引导和注射泵技术则更适用于形状复杂的电极，例如网状电极。这是因为复杂电极的形状需要尽可能保持，以确保功能位点的准确定位。
图2 棒状与丝状电极的钨丝引导植入
图3 网状柔性电极SU-8平面引导和圆柱形注射植入
表面刚度增强技术拓展电极形状适应性
脑组织具有低杨氏模量和高柔软度的特点，因此需要具有可调刚度的电极：在植入过程中具有高刚度的穿透性，在植入后具有较低的刚度，以尽量减少机械失配。表面刚度增强技术，例如可生物降解涂层（例如PEG、丝素蛋白和PLGA）和低温冷冻，可在植入过程中暂时硬化，同时保持植入后的柔性。然而，每种方法都有其优缺点。可生物降解涂层降低了慢性炎症的风险，增强了神经记录的长期稳定性，但不可避免地增加了电极的横截面积。低温冷冻可在不改变电极形状的情况下暂时增加硬度，但需要在植入过程中精确控制温度。
长期稳定性的关键：通过表面修饰降低慢性炎症反应
根据电极表面修饰与脑组织之间的相互作用机制，表面修饰策略可分为被动型和主动型两类。被动型修饰通过天然或合成材料对电极表面进行改性，使其物理或化学性质更接近脑组织，从而降低炎症反应。主动型修饰则是在被动修饰的基础上引入药物或生物活性分子，当载体材料溶解或降解时，药物或分子被释放，主动干预调节组织的生化微环境。
被动修饰：规避免疫识别以实现功能稳定性
根据所使用材料的类型，被动修饰可分为天然材料修饰和合成材料修饰。天然材料修饰通常具有固有的生物功能性和低免疫原性，有助于细胞粘附与生长，并促进改性电极与植入环境的融合。合成材料修饰则可以对材料的化学和物理性质进行精确调控，从而实现特定功能的电极表面。这两类修饰方式可在同一电极上结合使用，从而起到互补作用。
图4 用于慢性炎症优化的表面修饰
主动干预：调控微环境以增强生物活性
增强电极涂层的生物相容性通常只能延缓炎症反应。为了减少炎症，研究者提出基于抗炎药物和载体涂层的策略。广谱抗炎药物如地塞米松（Dex）等，可通过调节组织的生化环境发挥作用。主动抗炎策略可进一步分为药物递送系统和生物分子修饰两类。
总结与展望
综上所述，柔性深脑神经接口的长期稳定性由两大关键趋势驱动：其一是深脑接口的微型化与微创植入技术的适配；其二是神经接口的生物相容性。实现这两个目标需要遵循“三步走”策略：第一，优化植入物的形状与表面形态；第二，开发与神经接口兼容的微创植入技术；第三，确保长期植入物的微环境与脑组织生理环境或神经元分布非常相似。通过引入这些设计，电极能够有效规避免疫系统的识别，并主动降低免疫反应。因此，未来柔性电极在长期稳定性方面的优化可能会遵循以下技术路径：微型化和高表面积结构、微创植入方法、最小化免疫反应的电极接口材料。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41528-025-00410-x
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